超声波原理与应用

超声波提取原理与特点

超声波提取是利用超声波具有的机械效应，空化效应和热效应，通过增大介质分子的运动速度、增大介质的穿透力以提取生物有效成分。

机械效应

超声波在介质中的传播可以使介质质点在其传播空间内产生振动，从而强化介质的扩散、传播，这就是超声波的机械效应。超声波在传播过程中产生一种辐射压强，沿声波方向传播，对物料有很强的破坏作用，可使细胞组织变形，植物蛋白质变性；同时，它还可以给予介质和悬浮体以不同的加速度，且介质分子的运动速度远大于悬浮体分子的运动速度。从而在两者间产生摩擦，这种摩擦力可使生物分子解聚，使细胞壁上的有效成分更快地溶解于溶剂之中。

空化效应

通常情况下，介质内部或多或少地溶解了一些微气泡，这些气泡在超声波的作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡由于定向扩散（rectieddiffvsion）而增大，形成共振腔，然后突然闭合，这就是超声波的空化效应。这种气泡在闭合时会在其周围产生几千个大气压的压力，形成微激波，它可造成植物细胞壁及整个生物体破裂，而且整个破裂过程在瞬间完成，有利于有效成分的溶出。

热效应

和其它物理波一样，超声波在介质中的传播过程也是一个能量的传播和扩散过程，即超声波在介质的传播过程中，其声能不断被介质的质点吸收，介质将所吸收的能量全部或大部分转变成热能，从而导致介质本身和药材组织温度的升高，增大了药物有效成分的溶解速度。由于这种吸收声能引起的药物组织内部温度的升高是瞬间的，因此可以使被提取的成分的生物活性保持不变。

此外，超声波还可以产生许多次级效应，如乳化、扩散、击碎、化学效应等，这些作用也促进了植物体中有效成分的溶解，促使药物有效成分进入介质，并于介质充分混合，加快了提取过程的进行，并提高了药物有效成分的提取率。

超声波提取的特点

超声波提取时不需加热，避免了中药常规煎煮法、回流法长时间加热对有效成分的不良影响，适用于对热敏物质的提取；同时，由于其不需加热，因而也节省了能源。

超声波提取提高了药物有效成分的提取率，节省了原料药材，有利于中药资源的充分利用，提高了经济效益。

溶剂用量少，节约了溶剂。

超声波提取是一个物理过程，在整个浸提过程中无化学反应发生，不影响大多数药物有效成分的生理活性。

提取物有效成分含量高，有利于进一步精制。

超声波废水处理技术

超声波的空化效应为降解水中有害有机物提供可能，从而使超声波污水处理目的的实现。

在污水处理过程中，超声波的空化作用对有机物有很强的降解能力，且降解速度很快，超声

波空化泡的崩溃所产生的高能量足以断裂化学键，空化泡崩溃产生氢氧基（OH）和氢基（H），

同有机物发生氧化反应，能将水体中有害有机物转变成CO2 、H2O、无机离子或比原有机物

毒性小易降解的有机物。所以在传统污水处理中生物降解难以处理的有机污染物，可以通过

超声波的空化作用实现降解。

理论基础

超声波降解水中污染物原理的认识主要是空化理论和自由基氧化原理。由于超声波空化作用所引起的反应条件的变化，导致了化学反应的热力学变化，使化学反应的速度和产率得以提高。另外在超声波空化产生的局部高温、高压环境下，水被分解产生H和OH自由基，另外溶解在溶液中的空气(N2和O2)也可以发生自由基裂解反应产生N和O自由基。

影响因素

响污水处理中超声波降解的主要因素包括溶解气体、pH值、反应温度、超声波功率强

度和超声波频率：

1、溶解气体的存在可提供空化核、稳定空化效果、降低空化阈，对超声波降解速率和降解的影响主要有两方面的原因：A、溶解气体对空化气泡的性质和空化强度有重要的影响；

B、溶解气体如N2O2产生的自由基也参与降解反应过程，因此，影响反应原理和降解反应的热力学和动力学行为。

2、对于有机酸碱性物质的超声波降解，溶液的pH值具有较大影响。当溶液pH值较小时，有机物质可以蒸发进入空化泡内，在空化泡内直接热解；同时又可以在空化泡的气液界面上和污水中空化产生的自由基发生氧化反应，降解效率高。当溶液pH值较大时，有机物质不能蒸发进入空化泡内，只能在空化泡的气液界面上同自由基发生氧化反应，降解效率比较低。因此，溶液的pH值调节应尽量有利于有机物以中性分子的形态存在并易于挥发进入气泡核内部。

3、温度对超声波空化的强度和动力学过程具有非常重要的影响，从而造成超声降解的速率和程度的变化。温度提高有利于加快反应速度，但超声波诱导降解主要是由于空化效应

而引起的反应，温度过高时，在声波负压半周期内会使水沸腾而减小空化产生的高压，同时空化泡会立即充满水汽而降低空化产生的高温，因而降低降解效率。一般声化学效率随温度的升高呈指数下降。因此，低温(小于20℃)较为有利于超声波降解实验,一般都在室温下进行。

4、研究表明，并非频率越高降解效果越好。超声波频率与有机污染物的降解原理有关，以自由基为主的降解反应存在一个最佳频率；以热解为主的降解反应，当超声声强大于空化阈值时，随着频率的增大，声解效率增大。

5、超声波功率强度是指单位超声发射端面积在单位时间内辐射至反应系统中的总声能，一般以单位辐照面积上的功率来衡量。一般来说，超声波功率强度越大越有利于降解反应，但过大时又会使空化气泡产生屏蔽，可利用超声波功率强度能量减少，降解速度下降。

应用

超声波降解污水中有机污染物技术既可单独使用，也可利用超声波空化效应，将超声波降解技术同其他处理技术联用进行有机污染物的降解去除。联用技术有如下类型：

1、超声波与臭氧联用进行污水处理，以超声降解、杀菌与臭氧消毒共同作用于污水。

2、超声波与过氧化氢联用进行污水处理，以达成对污染水体降解、杀菌、消毒之目的。

3、超声波与紫外线联用进行污水处理，组成光声化学技术利用超声波技术和紫外光技术各自降解能力叠加协同和互补作用，对污水中常见的有机污染物苯酚、四氢化碳、三氢甲烷和三氯乙酸进行降解，使四种物质的降解产物为水、二氧化碳、C1-或易于生物降解的短链脂肪酸。

4、超声波与磁化处理技术联用进行污水处理，磁化对污水既可以实现固液分离，又可以对COD、BOD等有机物降解，还可以对染色水进行脱色处理。

5、超声波还可以作为传统化学杀菌处理的辅助技术，在用传统化学方法进行大规模污水处理时，增加超声波辐射，可以大大降低化学药剂的用量。