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超声波对新型液体合成力性能

时间:2017-10-14    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

1超声结晶是研究在超声场作用下晶体结晶条件,产品的改变及优化。超声波是一种机械波,在传播过程中质点振动加速度非常大。在液体中传播时,由于涡流或超声波的物理作用,会在某一局域内形成局部的暂时负压相,当强度达到某一定值时,可能会在介质中产生空化气泡,称为空穴。随着声场的变化,这些空化气泡溃陷或消失,称为空化现象。空化现象发生时会在气泡周围产生高温和高压,并放出大量的能量。空化现象已经得到了很多验证,如碘量法等。
  超声波在液体介质中的传播,由于振动空化作用,会对结晶的诱导期,介稳区和成核粒度造成影响。这些研究在国内外已有不少报道,但在结晶中的应用大多处于工艺性研究,而其机理方面的研究还不是很多。本文通过对超声波在甲硝唑溶液的降温冷却结晶中的实验研究,从热力学的角度分析了超声波对成核及诱导期,介稳区的影响,并阐述了自己的观点。
  2实验
  2.1实验原理
  在溶液结晶中,饱和溶解状态分为亚稳区和不稳区,溶液只有到了不稳区才能自发成核。而不稳区边界的位置与外加能量有关。利用物理方法可以测量溶液初级微晶析出的温度―――析晶温度。介稳区就是平衡溶解度曲线和析晶线间的区域。而从时间上看,溶液进入不稳区,固2液相变并不是立即发生。由母相生成新相这一转变期,称之为诱导期。
  2.2实验药品与仪器
  超声波发生器是雷士超声生产的频率固定为40kHz(加热温度为室温~90℃、功率200W可调)的数控超声波清洗器。

  实验药品甲硝唑(C6H9N3O3)为白色或微黄色结晶粉末。有微臭,味苦而略咸。质量标准:符合英国药典1998版标准或中国药典2000版标准。用途:本品为抗阿米巴药、抗滴虫药、抗厌氧菌药。
  2.3实验方法
  介稳区的测量:分别配置两组40℃、50℃、60℃、70℃、80℃甲硝唑饱和溶液各30ml,以相同速率降温,并分别加搅拌器搅拌(300r/min)和超声波作用(功率140W)。记录每个样品的析晶温度,析晶通过肉眼观察。
  起始温度与析晶温度之差即为介稳区。
  诱导期的测量:配置60℃的甲硝唑饱和溶液30ml,分别降温至59.5℃、58℃、57℃、56℃、55℃开始加超声波(功率140W)记时至析出晶体。配置60℃的甲硝唑饱和溶液30ml,分别降温至57℃、56℃、55℃、54℃、52℃开始搅拌(300r/min)并记时至析出晶体。测得的时间即为诱导期。
  碘量法验证空化现象:常温下,配置0.1ml/LKI溶液20ml,滴入一滴CCl4,超声波(功率140W)作用后,加入少许可溶性淀粉,观察现象。配置同样溶液,搅拌器搅拌(300r/min),观察现象。
  扩散现象的观察:常温下,向20ml水中加入少量的镍锌2铁氧体颗粒,颗粒大小大约为2030nm,常态下以团聚状态存在,不均匀地分布在容器底部,团聚的镍锌2铁氧体颗粒大约0.20.3mm在水中清晰可辨。
  加搅拌器搅拌(300r/min)观察现象并计时。配制相同的镍锌2铁氧体溶液,置于超声波清洗器中,加超声波(功率140W)作用,观察现象并计时,可重复实验。
  3实验结果与讨论
  3.1实验结果
  (112分别给出了在搅拌和超声下甲硝唑溶液结晶的介稳区和诱导期。
  1中,纵坐标为30ml溶液中溶质的质量,横坐标为溶液温度;中,纵坐标为溶液析晶时间,横坐标(△C)为溶液在起始温度与析晶温度溶解度之差。
  (2)实验中观察到超声波作用的KI溶液30s后由无色变为棕色,加入淀粉后变为蓝色,而搅拌作用下的KI溶液颜色没有变化。这说明超声波作用的KI溶液有碘单质生成,I2溶液为棕黄色,遇淀粉变蓝色。
  (3)实验中搅拌作用下,溶液内部和表面有团聚的镍锌2铁氧体悬浮,600s后,溶液中悬浮体仍为团簇状,与搅拌前相比变化不大,团簇状的铁氧体颗粒在水中仍清晰可见。超声波作用下,溶液底部立即混浊,30s后,溶液中的悬浮体分布均匀,镍锌2铁氧体颗粒与水混为一体。
  3.2结果讨论
  由均相成核理论,晶核稳定存在的临界半径新相形成的驱动力,是形成半径为临界晶核半径r3的晶核所做的功。其中v为成核分子的体积,C1为溶液的实际浓度,C2为溶液饱和浓度。
  核化过程必须经历吉布斯自由能的最大值ΔGmax,称为核化势垒。均相成核的势垒是:ΔGmax=163πγ3s/ΔG2v
  分子只有越过这个势垒,达到临界半径才会成核,才能自发结晶生长。
  单位体积中成核速率为:J=Dr32nexp[-ΔGmax/KT]
  D是粒子从液相向晶胚表面迁移的扩散系数,可由D=KT/6πηr近似计算(η是介质的粘滞系数,r是粒子半径)。
  由式可知晶体成核的快慢与溶液的扩散系数,及生长所需的自由能和温度有关。而成核的诱导期tind与成核速率J有如下关系tindJ-1
  3.2.1溶液扩散系数对成核速率的影响
  由实验结果可以看出,超声波作用使镍锌2铁氧体可以分散到溶液的各个区域,形成均匀的悬浊液。
  超声波能破坏镍锌2铁氧体的团聚作用,使其在溶液中分散均匀,是因为超声波在液体中传播时产生空化气泡,空化气泡溃陷时,产生射流,射流压力作用在纳米级微粒上可以使团聚的铁氧体颗粒分开,同时超声的高频振动及辐射压力可在气、液体中形成有效的搅动与流动,使质点振动速度、加速度加大,运动就更为激烈,达到搅拌所不能达到的效果,提高了扩散系数。此外,扩散系数还受温度及粘度系数影响。超声波作用下溶液能产生超临界状态,大大降低了溶液的粘度系数,增大扩散系数。由式知成核速率J增大,又根据式可得溶液成核的时间即诱导期tind变短,与诱导期测量的实验结果相一致。
  3.2.2温度的变化对诱导期的影响
  由2可以看出相同条件超声波作用下的甲硝唑析晶的时间明显短于搅拌作用下的析晶时间,即超声波作用下的诱导期短,这与很多报道一致。搅拌和超声波两者对于加速晶体的成核有着本质的不同,搅拌是从宏观上加速分子的运动,是整体的运动,而超声波是从微观上将液体介质进行压缩和拉伸。相对搅拌来说,超声空化形成了局部的高温,高压,形成热点。在这热点附近溶液成为超临界流体,超临界状态下,液体的粘度系数大大降低,其表面张力也随之降低。常温常压下,温度升高甲硝唑的平衡溶解度增大,但高温高压下结晶仍可以进行,这一复杂过程的机理目前尚不清楚。但晶核在高温高压下的溶液中能够生成并存在说明溶液仍处于过饱和状态,热点分子所在溶液的平衡溶解度与外界温度下的平衡溶解度应相差不大,而整体液体温度几乎不变。由式可知成核分子体积v和相对浓度基本不变的情况下,温度T的大,增大了新相形成所需的驱动力ΔGv,给分子成核提供了可能性。由式可以看出ΔGv的增大,就降低了成核的自由能ΔGmax,从而使分子在获得较小的能量下就可以越过势垒,形成晶核。空化时液体的表面张力降低,使得成核的单位面积表面能γs也随之降低。由式可知ΔGv的增大,γs的减小,减小了临界半径r3。由式知,温度T的升高,核化势垒ΔGmax减小,促使成核速率J增大,促进了成核,即诱导期变短,与实验结果相同。
  3.2.3空化作用释放的能量对介稳区的影响
  从实验结果可以看出,超声波作用下的KI溶液有碘单质析出,而搅拌作用下则不能生成碘单质。
  液体在超声波负压相区域,拉伸产生空化气泡,空化泡溃陷时的温度T急剧上升至几千度,放出大量能量,其能量足以使KI溶液中的碘2钾离子键断裂,生成I2,与前文提到的碘量法一致。由式可知,分子聚集要吸收外界能量越过势垒,才能成核。空化气泡溃陷时放出的能量给它周围局域范围内的分子提供了形成晶核所需的核化势垒的能量,使得分子能够越过势垒,完成从分子的聚集到成核的转变。所以相对搅拌来说,溶液在较高温度下有能力就可以结晶,使介稳区变窄,符合试验(1)的结果。
  3.2.4实验产品
  实验中还观察到在相同浓度和降温速率下超声波作用得到的甲硝唑晶体相对搅拌来说颗粒尺寸小而且数量多,如下(放大60倍)。
  实验结果表明溶液结晶中超声波的引入增加了成核数量。超声波作用可以减小分子聚集成核的临界半径,达到稳定半径(见3.2.2),这样就有更多的分子可以越过势垒聚集生成晶核。相对搅拌来说,超声波作用下可以提供给分子更多能量,分子更容易的越过势垒成核(见3.2.3),析出晶核。1中,搅拌作用下的析晶线比超声波作用下的析晶线离平衡溶解度线远。在同一温度,超声波作用下能够析晶的过饱和度要比振动下的过饱和度低,即超声作用下相对搅拌作用下溶液析晶多。2中,在△C0.3g时,超声波作用下有晶体析出,搅拌作用下不能结晶。即相同条件(浓度和温度)下,超声波作用下的收率要比搅拌高。
  晶体尺寸减小的原因:第一,超声波的作用使晶体成核时的半径减小(见上文)。第二,由于大量分子成核结晶,使得溶液的过饱和度大大降低,其继续生长所需的条件破坏。第三,超声波空化释放的能量比晶体生长所需的能量大许多,导致晶体达到一定的尺寸就会破碎,形成二次结晶。所以降到相同温度,超声波空化作用下的晶体相对搅拌得到的晶体要细小的多。
  4结论
  (1超声波对甲硝唑溶液结晶介稳区和诱导期的影响主要是由于其在液体中形成的空化气泡溃陷时形成局部高温高压效应,减小了甲硝唑成核半径,降低了其成核势垒;(2)超声波作用产生的空化气泡溃陷时放出大量的能量,提供给了分子聚集到成核所需要的自由能,促进甲硝唑溶液的成核;(3)超声波作用有效地改变了甲硝唑晶体的粒度,提高了其结晶产率。
  通过对实验结果和理论公式的讨论分析可以充分了解超声波促进成核的机理,就能将超声波运用于更广阔的结晶领域,同时更好的指导我们得到理想的结晶产品。

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