Динамика развития кавитационной области при ультразвуковой обработке суспензий частиц магния

  • Надежда Юрьевна Брежнева Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0003-4044-0660
  • Вячеслав Сергеевич Минчук Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ул. П. Бровки, 6, 220013, г. Минск, Беларусь
  • Светлана Александровна Уласевич Университет ИТМО, ул. Ломоносова, 9, 191002, г. Санкт-Петербург, Россия
  • Николай Васильевич Дежкунов Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ул. П. Бровки, 6, 220013, г. Минск, Беларусь
  • Екатерина Владимировна Скорб Университет ИТМО, ул. Ломоносова, 9, 191002, г. Санкт-Петербург, Россия

Аннотация

Исследована кавитационная активность в процессе ультразвуковой обработки частиц магния. Активность кавитации, регистрируемая в непрерывном режиме ультразвукового воздействия, изменяется в широком диапазоне при постоянных выходных параметрах генератора. Скорость и характер изменения активности кавитации зависят от массовой доли частиц в суспензии. В процессе ультразвуковой обработки можно выделить следующие этапы: рост кавитационной активности, достижение максимума с последующим снижением и выход на плато либо повторяющиеся циклы увеличения и уменьшения кавитационной активности. Сложный характер динамики кавитационной активности связан с участием водорода, выделяющегося в результате химического взаимодействия частиц магния с водой, в образовании кавитационной области. Модифицированные частицы были охарактеризованы с использованием сканирующей электронной микроскопии, рентгенофазового и термического анализа. Установлено, что в результате ультразвуковой обработки частиц магния происходит формирование фаз гидроксида магния, а также гидрида магния.

Биографии авторов

Надежда Юрьевна Брежнева, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

младший научный сотрудник лаборатории химии тонких пленок

Вячеслав Сергеевич Минчук, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ул. П. Бровки, 6, 220013, г. Минск, Беларусь

инженер-электроник научно-исследовательской лаборатории ультразвуковых технологий и оборудования

Светлана Александровна Уласевич, Университет ИТМО, ул. Ломоносова, 9, 191002, г. Санкт-Петербург, Россия

кандидат химических наук; научный сотрудник химико-биологического кластера, доцент-исследователь Научно-образовательного центра инфохимии

Николай Васильевич Дежкунов, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ул. П. Бровки, 6, 220013, г. Минск, Беларусь

кандидат технических наук, доцент; заведующий научно-исследовательской лабораторией ультразвуковых технологий и оборудования

Екатерина Владимировна Скорб, Университет ИТМО, ул. Ломоносова, 9, 191002, г. Санкт-Петербург, Россия

кандидат химических наук; профессор химико-биологического кластера, директор Научно-образовательного центра инфохимии

Литература

  1. Chatel G, Colmenares JC. Sonochemistry: from basic principles to innovative applications. Topics in Current Chemistry. 2017;375(1):8. DOI: 10.1007/s41061-016-0096-1.
  2. Baranchikov AE, Ivanov VK, Tretyakov YuD. [Sonochemical synthesis of inorganic materials]. Uspekhi khimii. 2007;76(2):147–168. Russian.
  3. Suslick KS, Price GJ. Applications of ultrasound to materials chemistry. Annual Review of Materials Science. 1999;29:295–326. DOI: 10.1146/annurev.matsci.29.1.295.
  4. Hidding B. Sonochemistry of silicon hydrides. Science. 2018;360(6388):489–490. DOI: 10.1126/science.aap8005.
  5. Lohse D. Sonoluminescence: сavitation hots up. Nature. 2005;434:33–34. DOI: 10.1038/434033a.
  6. Margulis MA. Osnovy zvukokhimii. Khimicheskie reaktsii v akusticheskikh polyakh [Basics of sonochemistry. Chemical reactions in acoustic fields]. Moscow: Vysshaya shkola; 1984. 272 p. Russian.
  7. Tzanakis I, Hodnett M, Lebon GSB, Dezhkunov N, Eskin DG. Calibration and performance assessment of an innovative high-temperature cavitometer. Sensors and Actuators A: Physical. 2016;240:57–69. DOI: 10.1016/j.sna.2016.01.024.
  8. Bong-Kyun Kang, Min-Su Kim, Jin-Goo Park. Effect of dissolved gases in water on acoustic cavitation and bubble growth rate in 0.83 MHz megasonic of interest to wafer cleaning. Ultrasonics Sonochemistry. 2014;21:1496–1503. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2014.01.012.
  9. Hauptmann M, Struyf H, Mertens P, Heyns M, De Gendt S, Glorieux C, et al. Towards an understanding and control of cavitation activity in 1 MHz ultrasound fields. Ultrasonics Sonochemistry. 2013;20(1):77–88. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2012.05.004.
  10. Baidukova O, Möhwald H, Mazheika AS, Sviridov DV, Palamarciuc T, Weber B, et al. Sonogenerated metal-hydrogen sponges for reactive hard templating. Chemical Communications. 2015;51(36):7606–7609. DOI: 10.1039/c4cc10026c.
  11. Skorb E, Shchukin D, Möhwald H, Andreeva D. Sonochemical design of cerium-rich anticorrosion nanonetwork on metal surface. Langmuir. 2010;26:16973–16979. DOI: 10.1021/la100677d.
  12. Kuvyrkov E, Brezhneva N, Ulasevich SA, Skorb EV. Sonochemical nanostructuring of titanium for regulation of human mesenchymal stem cells behavior for implant development. Ultrasonics Sonochemistry. 2019;52:437–445. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2018.12.024.
  13. Dulle J, Nemeth S, Skorb EV, Irrgang T, Senker J, Kempe R, et al. Sonochemical activation of Al/Ni hydrogenation catalyst. Advanced Functional Materials. 2012;22(15):3128–3135. DOI: 10.1002/adfm.201200437.
  14. Skorb EV, Fix D, Shchukin DG, Möhwald H, Sviridov DV, Mousa R, et al. Sonochemical formation of metal sponges. Nanoscale. 2011;3:985–993. DOI: 10.1039/c0nr00635a.
  15. Zhukova Y, Ulasevich SA, Dunlop JWC, Fratzl P, Möhwald H, Skorb EV. Ultrasound-driven titanium modification with formation of titania based nanofoam surfaces. Ultrasonics Sonochemistry. 2017;36:146–154. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2016.11.014.
  16. Skorb EV, Möhwald H, Andreeva DV. Effect of cavitation bubble collapse on the modification of solids: crystallization aspects. Langmuir. 2016;32(43):11072–11085. DOI: 10.1021/acs.langmuir.6b02842.
  17. Skorb EV, Baidukova O, Goyal A, Brotchie A, Andreeva DV, Möhwald H. Sononanoengineered magnesium-polypyrrole hybrid capsules with synergetic trigger release. Journal of Materials Chemistry. 2012;22(27):13841–13848. DOI: 10.1039/c2jm30768e.
  18. Ares JR, Leardini F, Díaz-Chao P, Bodega J, Koon DW, Ferrer IJ, et al. Hydrogen desorption in nanocrystalline MgH2 thin films at room temperature. Journal of Alloys and Compounds. 2010;495(2):650–654. DOI: 10.1016/j.jallcom.2009.10.110.
  19. Ares JR, Leardini F, Díaz-Chao P, Bodega J, Fernández JF, Ferrer IJ, et al. Ultrasonic irradiation as a tool to modify the H-desorption from hydrides: MgH2 suspended in decane. Ultrasonics Sonochemistry. 2009;16(6):810–816. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2009.03.004.
  20. Baidukova O, Skorb EV. Ultrasound-assisted synthesis of magnesium hydroxide nanoparticles from magnesium. Ultrasonics Sonochemistry. 2016;31:423–428. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2016.01.034.
  21. Sirotyuk MG. Akusticheskaya kavitatsiya [Acoustic cavitation]. Moscow: Nauka; 2008. 271 p. Russian.
  22. Xu Zheng. Numerical simulation of the coalescence of two bubbles in an ultrasound field. Ultrasonics Sonochemistry. 2018;49:277–282. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2018.08.014.
  23. Efica EC, Hobbalah R, Li Xuesong, May EF, Nania M, Sanchez-Vicente Y, et al. Saturated phase densities of (CO2 + H2O) at temperatures from (293 to 450) K and pressures up to 64 MPa. Journal of Chemical Thermodynamics. 2016;93:347–359. DOI: 10.1016/j.jct.2015.06.034.
  24. Kolev NI. Solubility of O2, N2, H2 and CO2 in water. In: Multiphase Flow Dynamics 4. 2nd edition. Berlin: Springer; 2011. p. 209–239. DOI: 10.1007/978-3-642-20749-5_11.
  25. Lauterborn W, Ohl CD. The peculiar dynamics of cavitation bubbles. Flow, Turbulence and Combustion. 1997;58:63–76. DOI: 10.1023/A:1000759029871.
  26. Segebarth N, Eulaerts O, Reisse J, Crum LA, Matula TJ. Correlation between sonoluminescence, sonochemistry and cavitation noise spectra. ChemPhysChem. 2002;2(8–9):536–538. DOI: 10.1002/1439-7641(20010917)2:8/9<536::AID-CPHC536>3.0.CO;2-Y.
Опубликован
2021-04-12
Ключевые слова: ультразвук, кавитационная активность, микрочастицы магния, Mg(OH)2, MgH2
Как цитировать
Брежнева, Н. Ю., Минчук, В. С., Уласевич, С. А., Дежкунов, Н. В., & Скорб, Е. В. (2021). Динамика развития кавитационной области при ультразвуковой обработке суспензий частиц магния. Журнал Белорусского государственного университета. Химия, 1, 75-84. https://doi.org/10.33581/2520-257X-2021-1-75-84