超聲技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的*,是一種新興的、多學(xué)科交叉的邊緣科學(xué),已引起美國(guó)、德國(guó)、加拿大、日本和中國(guó)等國(guó)家科技工作者的廣泛關(guān)注。超聲技術(shù)的發(fā)展給化工、食品、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究開(kāi)拓了新領(lǐng)域,并從應(yīng)用上對(duì)上述工業(yè)產(chǎn)生重大影響。作為聲學(xué)研究領(lǐng)域的重要組成部分,超聲在現(xiàn)代分離技術(shù)中的研究也取得了一定進(jìn)展。目前認(rèn)為超聲波具有3種基本作用機(jī)制,即機(jī)械力學(xué)機(jī)制、熱學(xué)機(jī)制和空化機(jī)制。由于超聲波作用的*性,已日益顯示出其在各分離領(lǐng)域的重要性。超聲作用于兩相或多相體系會(huì)產(chǎn)生各種效應(yīng),如空化效應(yīng)、湍動(dòng)效應(yīng)、微擾效應(yīng)、界面效應(yīng)和聚能效應(yīng)等,其中湍動(dòng)效應(yīng)使邊界層變薄,增大傳質(zhì)速率;微擾效應(yīng)強(qiáng)化了微孔擴(kuò)散;界面效應(yīng)增大了傳質(zhì)表面積;聚能效應(yīng)活化了分離物質(zhì)分子。所有這些效應(yīng)會(huì)引起傳播媒質(zhì)*的變化,因而從整體上促進(jìn)了分離過(guò)程。
　　
　　1超聲波在提取方面的應(yīng)用目前超聲波在提取方面的應(yīng)用已日益廣泛,并且在中藥提取方面已經(jīng)工業(yè)化。我國(guó)傳統(tǒng)中藥的提取存在溶劑耗量大、萃取時(shí)間長(zhǎng)、萃取溫度高、工藝路線(xiàn)長(zhǎng)、萃取效率低等缺點(diǎn),導(dǎo)致中藥產(chǎn)品中殘留溶劑含量高、有效成分含量低、質(zhì)量難以控制、藥效不明顯等主要問(wèn)題,產(chǎn)品價(jià)格低,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng),極大地制約了我國(guó)中藥現(xiàn)代化的進(jìn)程。而超聲用于中藥的提取則能明顯地減少溶劑耗量、縮短萃取時(shí)間,在較低的溫度下就可實(shí)現(xiàn)高的提取率,而且不會(huì)破壞中藥中的有效成分,可廣泛用于中藥中皂苷、生物堿、黃酮、蒽醌類(lèi)、有機(jī)酸及多糖等成分的提取。超聲波由超聲空化引起的,由變幅桿端部發(fā)出的強(qiáng)超聲波,激活反應(yīng)容器內(nèi)液體中的空化氣泡在崩潰時(shí)伴隨發(fā)生沖擊波或射流作用于細(xì)胞壁并使其破裂。目前超臨界CO2萃取由于具有綠色無(wú)污染、溶劑殘留量少或沒(méi)有、產(chǎn)品有效成分不易失活、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。但同時(shí)該技術(shù)存在著萃取壓力較高、時(shí)間長(zhǎng)、萃取率較低、夾帶劑用量大以及能耗高等缺點(diǎn),極大地限制了其工業(yè)化應(yīng)用。若將超聲應(yīng)用于超臨界流體萃取則可以明顯降低萃取系統(tǒng)的壓力和溫度,減少夾帶劑用量和縮短萃取時(shí)間,而且萃取率也有明顯的提高。RieraE等[5]對(duì)超聲強(qiáng)化超臨界CO2流體從杏仁顆粒中萃取油脂進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)采用20kHz、50W的超聲。結(jié)果顯示,超臨界CO2中附加超聲與沒(méi)有附加超聲相比,在相同的萃取率下,杏仁油的萃取時(shí)間縮短了30;而在相同的萃取時(shí)間內(nèi),萃取率提高了20。另外在較低的功率條件下,超聲波的換能器可作為一種高靈敏度的探針顯示超臨界流體的相行為。目前超聲用于提取方面的研究主要限于單頻率的超聲,而對(duì)兩種或兩種以上的多頻超聲同時(shí)輻照強(qiáng)化提取方面的研究很少。這方面的研究是近幾年才投入研究的一個(gè)新課題。有實(shí)驗(yàn)顯示雙頻、三頻超聲正交輻照可以使聲化學(xué)產(chǎn)額顯著提高,國(guó)內(nèi)由于投入該項(xiàng)研究處于起步階段,很多方面的研究,如頻率的選擇、超聲發(fā)射位置的布局、功率的搭配等方面尚需進(jìn)一步深化。作者實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行多頻超聲從苦木中提取生物堿的研究,已取得了可喜的階段性研究成果。
　　
　　2超聲在膜分離技術(shù)中的應(yīng)用膜分離的原理主要是利用選擇性透過(guò)膜的兩側(cè)存在壓力差、濃度差、電位差進(jìn)而對(duì)組分進(jìn)行分離或提純。在膜分離過(guò)程中,當(dāng)膜表面上被溶質(zhì)或其他截留物質(zhì)形成濃差極化層時(shí)膜的傳遞性能及分離性能將迅速衰減,大大影響膜分離器的工作效率,從而縮短其使用壽命。解決濃差極化現(xiàn)象一直是一項(xiàng)極為重要的課題,而超聲波能有效降低濃差極化現(xiàn)象,提高微濾效果,明顯減少附在膜表面的污物。功率超聲用于改善過(guò)濾過(guò)程主要表現(xiàn)在3個(gè)方面[8]:會(huì)使過(guò)細(xì)的顆粒發(fā)生凝聚,從而使過(guò)濾加快;向系統(tǒng)提供足夠的振動(dòng)能量,使部分粒子保持懸浮,為溶劑的分離提供了較多的自由通道;能夠強(qiáng)化液體通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)的擴(kuò)散作用。功率超聲已被成功地用于工業(yè)混合物的真空過(guò)濾,如煤漿過(guò)濾。過(guò)濾煤漿曾是一件困難而耗時(shí)的工作,當(dāng)功率超聲用于過(guò)濾時(shí),煤漿中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很快從50減少到25,而通常的方法只能減少到40。將超聲應(yīng)用于蛋白質(zhì)超濾方面可有效提高其分離效率,且減少了蛋白質(zhì)在膜上的吸附。超聲作用手段具有效率高,準(zhǔn)確可靠,操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn),超聲對(duì)電滲析分離也能發(fā)揮作用。研究報(bào)道施加超聲輻射可提高電解質(zhì)通過(guò)膜的能力,從而提高電滲析效率。T.Kobayashi等[9]研究了不同頻率和聲強(qiáng)的超聲波對(duì)聚丙烯腈超濾膜分離右旋糖苷的的膜通透量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在超聲輻照下,水的通透量不受影響。但對(duì)于右旋糖苷溶液,超聲有助于提高膜的通透量,頻率不同其影響效果不同,隨著聲強(qiáng)的提高,膜的通透量也增加。超聲輻照的方向也是影響膜的通透量的一個(gè)重要因素,超聲輻照提高膜通透量是由于增大了通過(guò)膜表面附近右旋糖苷濃溶液層的傳質(zhì)系數(shù)。C.Zhu等[10]研究了超聲波強(qiáng)化空氣隙膜蒸餾,結(jié)果表明,當(dāng)聲強(qiáng)從0W/cm2提高到5W/cm2時(shí),溶劑的通透量提高到初始的2倍;溫度的上升對(duì)通量有不利影響,當(dāng)從40℃上升至60℃時(shí),通透量提高率從1195下降至112;當(dāng)頻率從15kHz提高到60kHz時(shí),通透量提高率從116下降至0186。
　　
　　3超聲在結(jié)晶分離技術(shù)中的應(yīng)用目前人們認(rèn)為聲場(chǎng)對(duì)溶液結(jié)晶的影響主要是空化效應(yīng)。超聲波的空化作用能促進(jìn)結(jié)晶,在一些特定情況下,又可表現(xiàn)為簡(jiǎn)單的聚集,即為沉淀。丘泰球等研究了超聲場(chǎng)對(duì)蔗糖溶液結(jié)晶成核過(guò)程的影響。結(jié)果表明,在聲場(chǎng)作用下,結(jié)晶成核過(guò)程可在低飽和度下實(shí)現(xiàn),所得晶核較其他方法均勻、完整和光潔,晶粒尺寸范圍分布較窄。將超聲應(yīng)用于味精結(jié)晶過(guò)程的實(shí)驗(yàn)表明,超聲可減弱分子間作用力,降低溶液黏度,所需結(jié)晶濃度低,獲得細(xì)小而均勻的晶體,而且晶體產(chǎn)量高。王偉寧等將超聲波引入堿式氯化鎂的結(jié)晶過(guò)程,發(fā)現(xiàn)可加速成核速率,縮短誘導(dǎo)期,顯著提高結(jié)晶產(chǎn)量。頻率越高,結(jié)晶時(shí)間越短,設(shè)備簡(jiǎn)單,投資較省。在此研究基礎(chǔ)上,超聲波起晶器已開(kāi)始付諸工業(yè)實(shí)施。熔融金屬在固化期間進(jìn)行超聲處理,可使晶粒變細(xì),改善其延伸率和機(jī)械強(qiáng)度等物理特性。對(duì)碳鋼的超聲處理表明,它可使晶粒尺度從200μm減小到25μm～30μm,延展性增加30～40,機(jī)械強(qiáng)度提高20～30。在制藥行業(yè)中,為得到細(xì)小而均勻的顆粒,已將超聲結(jié)晶用于生產(chǎn)口服或皮下注射懸浮液藥劑。Midler申請(qǐng)了一個(gè)用超聲輔助結(jié)晶制藥的,該描述超聲不僅可以促進(jìn)飽和溶液起晶,而且可制得細(xì)小、均勻的藥物晶體。
　　
　　4超聲在絮凝分離技術(shù)中的應(yīng)用目前,化工過(guò)程中膠體物系的絮凝分離主要有化學(xué)法及生物法,但現(xiàn)有的方法存在不少缺點(diǎn),特別是對(duì)于食品化工過(guò)程。因?yàn)檫x用生物或化學(xué)試劑時(shí)要考慮食用安全性問(wèn)題,而超聲能顯著地促進(jìn)膠體物系絮凝分離,不會(huì)使食品產(chǎn)生任何污染。丘泰球等[14]曾研究過(guò)聲場(chǎng)作用下不同體積分?jǐn)?shù)乙醇對(duì)果膠絮凝沉降的效果、聲場(chǎng)與殼聚糖協(xié)同對(duì)果膠絮凝沉降的效果和聲場(chǎng)對(duì)原糖溶液絮凝上浮的效果。研究結(jié)果表明,對(duì)于體積分?jǐn)?shù)為30或40的乙醇,超聲作用并不能促進(jìn)果膠的絮凝,而對(duì)于乙醇的體積分?jǐn)?shù)為50、60或70時(shí),果膠的質(zhì)量明顯增加,乙醇的體積分?jǐn)?shù)為50時(shí)增加zui快。另外,超聲處理后的果膠絮凝物,其含水量都明顯降低,說(shuō)明超聲作用對(duì)絮凝物有脫水作用。這也從另一方面說(shuō)明超聲波能促進(jìn)膠體的絮凝。該實(shí)驗(yàn)認(rèn)為聲場(chǎng)能促進(jìn)膠體物系絮凝分離,其作用原理可能是超聲空化效應(yīng),該效應(yīng)使親水膠體水化層減少,雙電層電位降低,膠體體系中顆粒間的排斥力減小,相互吸引力增大,聚結(jié)機(jī)會(huì)增加。
　　
　　5超聲在吸附與脫附分離中的應(yīng)用吸附與脫附已廣泛應(yīng)用于化工、食品及冶金等工業(yè)中,在分離與純化方面發(fā)揮著日益重要的作用。吸附與脫附是一對(duì)互逆過(guò)程,在超聲空化作用下,聲場(chǎng)一方面增加了吸附質(zhì)向吸附劑擴(kuò)散的速率;另一方面降低了吸附質(zhì)與吸附劑間的范德華力。前者具有正效應(yīng),強(qiáng)化吸附;后者具有負(fù)效應(yīng),強(qiáng)化脫附。Rege等[15]研究了苯酚從活性炭和聚合樹(shù)脂上實(shí)現(xiàn)超聲解吸的可行性。在超聲波作用下,活性炭的脫附速率大大提高,而且降低溫度,向液體中鼓入空氣或增加超聲波強(qiáng)度都有利于提高脫附速率。Okada[16]發(fā)現(xiàn)超聲波對(duì)離子交換色譜的保留性能具有顯著影響。Feng等[17]發(fā)現(xiàn)超聲波能極大地提高樹(shù)脂的洗脫速率,而且除XAD7長(zhǎng)期使用后會(huì)有輕微的降解外,其他樹(shù)脂的物化穩(wěn)定性不受超聲波影響。郭平生等[18]對(duì)超聲波強(qiáng)化解吸的機(jī)理進(jìn)行了探討,認(rèn)為超聲強(qiáng)化解吸的主要原因是在超聲場(chǎng)中由于超聲波的“聚能效應(yīng)”使得吸附相分子比基準(zhǔn)態(tài)分子獲得更多的能量而導(dǎo)致吸附平衡等溫線(xiàn)降低。研究結(jié)果還表明,吸附相分子在超聲波場(chǎng)中只要獲得可與kT（k表示波爾磁曼常數(shù),T表示溫度）比擬或更高的能量,解吸效果就會(huì)明顯,說(shuō)明強(qiáng)化解吸中超聲波場(chǎng)與溫度場(chǎng)間的協(xié)同作用。