超声波对硫酸钠溶液结晶影响的研究

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1、第一章文献综述1．1．2超声空化超声空化是指在强超声波的作用下，液体中的微小气泡核在声的稀疏相和压缩相交替作用的过程中，空化气泡经历振荡、生长、收缩、溃陷等一系列动力学过程。超声空化是强超声在液体中引起的一种特有的物理现象，空化气泡的运动是典型的非线性问题。在空化气泡溃陷的过程中，在极有限的体积内会产生强大的瞬时温度梯度和压力梯度，从而引发众多的物理、化学和生物等效应。这是由于纯净的液体分子具有极高的抗拉强度，而混有微小气泡的实际液体分子间的结合力被减弱，构成了液体的“薄弱环节’’。在正压相位时，超声波对介质分子挤压

2、，改变了介质原来的密度，使其增大；而在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度则减少。当用足够大振幅的超声波来作用于液体介质时，在负压区内介质分子间的平均距离会超过使液体介质的临界分子距离，使液体介质发生断裂，产生微泡，微泡进一步长大成空化气泡。这些气泡随着声场的变化而继续长大直至负压达到最大值。在紧接着的压缩过程中，这些空化气泡被压缩，其体积缩小，有的甚至完全消失。当超出超声场的共振相位时，空化气泡就不再稳定，这时空化气泡内的压强已不能支撑其自身的大小，即开始溃陷。这种存在于液体中的微气核(空化核)在声场

3、作用下产生、溃陷和消失的动力学过程，就叫溶液的声空化现象，也叫孔蚀现象弘J。空化气泡在超声场的作用下会发生振动，但并不一定就发生溃陷。只有当超声波的频率小于空化气泡振动频率时才会使空化气泡溃陷，反之，当超声波的频率超过空化气泡的振动频率时，空化气泡会进行更为复杂的振动，而不会发生溃陷。空化气泡的谐振频率可以由下式来进行计算【3】：，1／2丽其中，R为空化气泡原始半径，尸为液体介质的静压。r(=cp／cv)为绝热指数。盯为液体的表面张力，户为液体介质的密度。对于水来说，当P=1．0x105N／m2，y=1．4，p=10

4、00kg／m3，空化气泡半径R与空化气泡谐振频率成反比，其的关系见表1-1：表1．1水中空化气泡的半径与空化气泡的谐振频率‘41第一章文献综述B豳鼬啦妞Tn=嘲KPo=l蝴P咖晒t舶哝酬im疵d越50∞K酋畦田硇目越瑚IlI图l-i空化气泡溃陷时模拟图【6】众多实验表明，超声波不仅能够显著的促进化学反应的速度和产率明，使得一些平常不能进行的化学反应得以进行，而且能够极大缩短许多物质结晶诱导期等【81。综上所述，将超声波应用于溶液，是科研工作的一项巨大进步。1．2溶液结晶从理论研究以及实际应用角度看，溶液结晶的主要特性

5、参数可以归纳为热力学参数和动力学参数，结合超声波对溶液结晶的影响，本文对溶液结晶特性参数选取其中几个进行简要介绍。(1)溶解度C结晶是从溶液中析出固体的过程，显而易见溶解度曲线是我们选择从溶液中生长晶体的方法和生长温度区间的重要依据。溶解度的大小标志着结晶收率的极限，同时溶解度又会受到多种因素的影响。因此研究物质的溶解度曲线，对于如何提高产率并寻找更好的结晶条件具有很重要的现实意义。物质的溶解度，一方面决定于物质的本性；另一方面也与外界条件如温度、压强、溶剂种类等有关。迄今为止，人们已经提出了很多有关溶液平衡的理论模

6、型，如固液平衡理论、vanLear理论、正规溶液理论、无热溶液理论、址方程等。从固液平衡的理论出发，得出了描述固液平衡的普遍化溶解度方程pJ：第一章文献综述帆：)=等b舟等峙一争·]一等hJc·之，其中，彳凰是液态溶质在三相点的摩尔相变焓；乃是三相点温度；彳Cp是液相和固相的恒压热容差；4腥体积的变化；对于理想溶液，忽略溶剂作用y2=l。通常在固体物质时，可以忽略体积变化和热容差对溶解度的影响。由式(1-3)可见，固体物质的溶解度，主要受温度影响【10】。In(z：)：半f÷一扎(1-3)』【L1尹1／大多数固体物质

7、溶于水时吸收热量，根据热平衡移动原理，当温度升高时，平衡有利于向吸热的方向移动，所以这些固体随温度升高溶解度增大，如硝酸钾；少部分固体溶解度受温度影响不大，如食盐(氯化钠)；极少数物质溶解度随温度升高反而减小，如熟石灰(氢氧化钙)。因为氢氧化钙有两种水合物(Ca(OH)2-2H20和Ca(OH)2·12H20)。这两种水合物的溶解度较大，而无水氢氧化钙的溶解度很小。随着温度的升高，这些结晶水合物逐渐变为无水氢氧化钙，所以，氢氧化钙的溶解度就随着温度的升高而减小。本文所研究的硫酸钠的溶解度与温度有着特殊的变化关系，开始

8、其溶解度随温度的升高而增加，经过最高位置32．4oC左右，反而随着温度的升高而降低。(2)介稳区在一定条件下，任何一种物质溶解在某种溶剂中，都有一个最大限度，这个限度就是溶解度，也就是饱和浓度。晶体析出的条件是溶质浓度大于饱和浓度，这种标识溶液过饱和而自发地产生晶核的极限浓度称为超溶解度。超溶解度曲线和溶解度曲线有所不同，一个特定的物系只存在一