中国有色金属学报 2004,(06),1047-1052 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.06.030
铝酸钠溶液性质对超声空化作用及种分过程超声强化的影响
中南大学化学化工学院,中南大学化学化工学院,中南大学化学化工学院,中南大学化学化工学院,中南大学化学化工学院 长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083
摘 要：
用相同频率和输入功率的超声波对不同Na2Ok浓度和αk的铝酸钠溶液进行处理,通过对恒温种分过程中相同反应时间的分解率和粒度分布特点的比较,发现在超声波作用条件相同的情况下,超声波对铝酸钠溶液的强化作用随着铝酸钠溶液苛性碱浓度的降低而加强,且超声波对αk为1.55时的铝酸钠溶液的强化作用较其他αk的强。通过对不同Na2Ok浓度和αk条件下铝酸钠溶液表面张力系数的测定及超声波声致荧光影像的研究,初步探讨了溶液物理性质对超声强化作用和超声空化作用的影响及超声波作用的机理。
关键词：
中图分类号： TB559
作者简介：刘吉波(1973),男,博士研究生.刘吉波,电话:07318625155;E mail:csujbliu@tom.com;
收稿日期：2003-09-26
基金：国家重点基础研究发展规划项目(G19990648922);
Effect of physical properties of sodium aluminatesolution on ultrasonic cavitation andenhancement during precipitation process
Abstract：
The decomposition fraction and the particle size distribution during the precipitation process of sodium aluminate solution under different conditions with and without ultrasound were compared respectively. The experiments results indicate that while the conditions of ultrasound being kept constant, the ultrasonic effect on the precipitation process is enhanced as the concentration of sodium aluminate is reduced, and it is more significant at medium αk. The effect of physical properties of sodium aluminate on ultrasonic enhancement on the precipitation process and ultrasonic cavitation was further investigated by the detection of surface tension coefficient and image of Luminol sonofluorescence.
Keyword：
sodium aluminate solution; ultrasound; cavitation; sonofluorescent;
Received： 2003-09-26
用低频超声波处理低浓度铝酸钠溶液, 可在一定时间内提高种分过程的分解速率, 并能提高产品氢氧化铝的二次成核数
超声波对化学反应的作用机制并非源于声波与分子的直接作用, 而主要来自声空化
1 实验
1.1 实验参数的确定
研究表明
1.2 实验设备
实验中所用的超声波处理器为美国Sonic公司生产的VCX750超声波处理器, 其频率为20±0.05 kHz, 功率可调(0～750 W)。 种分实验在同型号3.5 L不锈钢反应槽中进行, 机械搅拌, 用水浴夹套恒温, 恒温精度为±0.5 ℃。 粒度分析用Mastersizer 2000(Marlven)激光粒度分析仪进行。
1.3 实验步骤
将一定量的氢氧化钠(AR)及工业氢氧化铝(由中国铝业公司河南分公司提供)与水混合加热至完全溶解, 过滤得到浓铝酸钠溶液, 备用。 实验时稀释至所需浓度。 各取1 L溶液, 一份在恒温条件下用超声波处理器处理10 min, 功率为300 W; 另一份不经超声处理。 将两份溶液分别倒入相同型号的恒温反应槽中, 加入相同粒度分布的氢氧化铝晶种使其进行种分反应, 搅拌速率为300 r/min, 固含为600 g/L。 在反应进行中的不同时核, 从相应的反应槽中取6组浆液样, 固液分离后, 液体用滴定法分析溶液组分, 固体样用Mastersizer 2000(Marlven)进行粒度分布分析。
2 实验结果
液体样由滴定分析可得到铝酸钠溶液的苛性比αk, 通过下式可计算种分分解率η:
式中 αk, 0为初始Na2O/Al2O3摩尔比, αk为反应时Na2O/Al2O3 摩尔比。
超声波能使铝酸钠溶液种分过程的成核百分数增加, 一般晶核的粒度范围在2 μm以下。 因此, 我们选取2 μm以下粒数分数(φ)来表征成核数的变化(2 μm以下粒数分数可由所测得的粒度分布曲线在0～2 μm范围内积分得到)。 图1(a)和1(b)分别为αk=1.55, ρ(Na2Ok)=155 g/L的铝酸钠溶液在55 ℃进行恒温种分反应时, 未经超声处理和经超声处理的铝酸钠溶液分解率η和2 μm以下粒数百分数φ随时间变化。 由图1可见, 在反应进行到8 h左右, 超声处理与未经超声处理的铝酸钠溶液种分分解率η和2 μm以下粒数分数之差最大。 由此, 选取反应进行8 h后经超声波处理和未经超声波处理的分解率η和2 μm以下粒数分数之差作为比较超声作用效果的参数。
图2和图3所示分别为αk=1.55不同Na2Ok浓度条件下, 和ρ(Na2Ok)=155 g/L不同αk条件下, 经超声处理和未经超声处理8 h的分解率差(Δη)和2 μm以下粒数百分数之差(Δφ)。 由图2和图3可见, 随着Na2Ok浓度的降低, 8 h后的分解率和2 μm以下粒数分数之差增大, 而只有在αk=1.55左右时, 分解率和2 μm以下粒数百分数之差才有较明显变化。 即超声处理只有在较低浓度和αk=1.55左右才有明显强化作用。
3 分析与讨论
超声波对化学反应的作用强弱与超声空化作用的强弱有直接关系, 超声空化作用的强弱与超声的频率、 声强, 作用媒质的粘度、 表面张力、 蒸汽压、纯净度等均有密切的关系。 溶液的表面张力是影响超声空化的一个重要物理性质, 它对超声空化阈值和空化泡的运动均有较大影响
图1 恒温种分反应时铝酸钠溶液分解率η和2 μm以下粒数分数φ随时间变化
Fig.1 Comparison of decomposition fraction and particle number percentage below 2 μm during precipitation process at 55 ℃ (a)—Variation of decomposition fraction η with time; (b)—Variation of particle number percentage φ below 2 μm with time
图2 8 h的分解率差Δη与ρ(Na2Ok)及αk的关系
Fig.2 Difference of decomposition fraction vs content of Na2Ok and αk at 8 h (a)—Δη vs ρ(Na2Ok); (b)—Δη vs αk
图3 8 h的2 μm以下粒数分数差Δφ与ρ(Na2Ok)及αk的关系
Fig.3 Difference of particle number percentage Δφ below 2 μm vs content of Na2Ok and αk at 8 h (a)—Δφ vs ρ(Na2Ok); (b)—Δφ vs αk
超声空化作用的强弱可通过Luminol增强声致发光效应的原理, 采用超声场声致发光影像法考察。 在碱性溶液中, 超声空化使化学冷光剂Luminol经氧化过程获得它的增强光谱, 其发射波长主要落在可见光 400～700 nm之间, 呈浅蓝色, 可用彩色胶卷感光成像。 影像法既可直接用肉眼观看到超声空化场的整体分布, 又可照相记录下来。 当超声空化作用强时, 声致荧光照片中声场荧光分布范围广, 荧光强度也相对强
4 结论
在相同超声波条件下, 研究了不同浓度, 不同αk铝酸钠溶液的超声强化种分过程、 超声场声致荧光分布和铝酸钠溶液的表面张力系数。 超声波只有在较低浓度和αk=1.55(ρ(Na2Ok)=155g/L)左右才对铝酸钠溶液种分过程有明显强化作用。 铝酸钠溶液在较低浓度和αk=1.55左右时表面张力系数较小, 超声空化作用相对较强。 在相同超声条件下, 铝酸钠溶液在较低浓度和αk=1.55左右声场的荧光影象相对较强。 超声波对种分过程的强化是通过超声空化起作用的, 且超声空化作用的强弱与溶液性质有关。
图4 55 ℃时铝酸钠溶液的表面张力系数与ρ(Na2Ok)及αk的关系
Fig.4 Surface tension coefficient of sodium aluminate vs ρ(Na2Ok) and αk (a)—Surface tension coefficient of sodium aluminate vs ρ(Na2Ok); (b)—Surface tension coefficient of sodium aluminate vs αk
图5 不同条件下铝酸钠溶液的声致荧光影象
Fig.5 Sonofluorescent images of sodium aluminate solutions on different conditions (a)—αk=1.55, ρ(Na2Ok)=33 g/L; (b)—αk=1.55, ρ(Na2Ok)=330 g/L; (c)—αk=1.35, ρ(Na2Ok)=155 g/L; (d)—αk=1.55, ρ(Na2Ok)=155 g/L; (e)—αk→∞, ρ(Na2Ok)=155 g/L
参考文献
[4] MisraC,WhiteET.CrystallisationofBayeraluminiumtrihydroxide[J].JCrystalGrowth,1971(8):172178.
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themodelofsurfacetensionofsodiumaluminatesolution[J].LightMetals,1986(3):710.
[12] SuslickKS .Sonochemistry[J].Science,1990,247(23):14391455.
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