一种确定超声波处理有机物料的最佳频率的方法技术

本发明专利技术公开了一种确定超声波处理有机物料的最佳频率的方法，该方法包括如下步骤：A、确定目标有机物；B、根据目标有机物化学键的键长L、化学键两端中较小端的分子表面积S，计算打断有机物化学键所做的功W；C、计算打断目标化学键的控制参数ξ；D、计算出空化气泡溃灭时产生的压强P；E、将上述步骤所得参数整理进入Rayleigh-Plesset方程，获得超声波频率计算模型；F、通过对超声波频率计算模型进行参数调整获取超声波处理目标有机物的最佳频率；G、根据步骤F所得最佳频率设计、制作用于处理目标有机物的超声波换能器。本发明专利技术用于超声化学工业产业中指导设计超声波换能器，能够避免由于反复实验寻找超声波最佳频率造成的人、财、物和时间的浪费。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供了一种在超声波催化、合成、降解有机物时，确定超声波最佳频率的方法，属于声化学类，用于有机化工、制药、有机污染物处理等技术或超声波换能器(发生器)领域。
技术介绍
人类耳朵能听到的声波频率为20 20000Hz，当声波的振动频率大于20kHz时，就超出了人耳听觉的上限，人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波和声波的本质是一致的，在介质中具有反射、折射、衍射、散射等传播规律，只是超声波的频率更高，波长更短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。超声波通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式。在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率 成正比，介质质点振动的频率越高，传播的能量就越大。超声波在液体介质中传播时，存在着一个正负压强的交变周期，改变了液体原来的密度。在正压相位时，超声波对介质分子挤压，使密度增大；而在负压相位时，超声波对介质分子拉伸，使密度减小。特别是在负压区内介质分子被拉伸，分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，引起液体和液一固界面的断裂，形成微小的空泡和气泡。这些空泡和气泡处于非稳定状态，经历初生、发育、振荡和随后迅速崩溃的过程。当它们迅速崩溃破灭时会产生微激波，局部产生高温高压，这种现象称为空化现象。空化气泡被压缩直至崩溃的一瞬间，可使气相反应区的温度达到5200K左右，液相反应区的有效温度达到1900K左右，局部压力在5X105kPa，温度变化率高达109K/s，并伴有强烈的冲击波和速度达400km/h的微射流。超声波被广泛的运用于各个领域，主要基于其空化作用以及空化伴随的机械效应、化学效应、热效应、生物效应等。机械效应主要表现在非均相反应界面的增大，主要应用在吸附、结晶、电化学、非均相化学反应、过滤以及超声清洗等；化学效应主要是由于空化过程中产生的高温高压使得高分子分解、化学键断裂和产生自由基等，主要应用在有机物降解、高分子化学反应以及其他自由基反应；热效应主要表现在空化泡在崩溃的瞬间，产生了5000K的高温，对挥发进入空化泡内的有机气体及空化泡气液界面处的有机物料，有热解断键作用，使得有机物料得到降解。影响超声波空化效应的主要因素有物理参数、声场参数两方面物理参数包括液体温度、液体中溶解气体、溶液的pH、粘滞系数、面张力系数等，这些参数主要影响空化阈值；声场参数主要包括超声波频率、声强及声功率、声压振幅、声波波形、反应器类型等。在影响超声波空化因素中，超声波频率与有机物料的物化性质关联度最大，直接影响着空化气泡的大小及数量。在低频时，气泡数量少但直径大，气泡有明显的生长、崩溃的过程，空化核在稀疏阶段达到共振半径而强烈振荡，而后瞬间发生塌缩崩溃，因而爆破更加猛烈。在高频时，气泡数量多但直径小，空化泡的形成和崩溃速度更快，产生的自由基更容易进入液相主体中。因此，对于某一种有机物料，一般都有一个最佳频率点，在这个频率点上，空化强度可达到最大值，相应的超声反应的效率也就最高。而超声波频率来源于超声波换能器，只要确定了换能器的结构形状及尺寸大小，换能器的主振频率就确定了。也就是说一个换能器只能产生一种主振频率，不能实现频率的连续可调。目前，确定超声波最佳频率的方法主要有两种一种是采用不同的频率，通过反复实验，确定出超声波的最佳频率。这种方法对工艺条件要求高，过程复杂而且周期长，且只能找到一个频率的大概范围。另一种是采用“混响超声场装置”(如ZL200810218801. X)也可以称为“复频装置或倍频装置”等，将有机物料放置在多个频率的超声场中处理。这种方法的装置复杂，其结论也只能是说多个频率比单一频率的处理效果好。因此，寻找超声波处理有机物料的最佳频率就是亟待解决的问题
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种在催化、合成、降解有机物料时确定超声波最佳频率的方法，用于超声化学工业产业中指导设计超声波换能器，避免由于反复实验寻找超声波最佳频率造成的人、财、物和时间的浪费。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案如下。，该方法包括如下步骤A、确定目标有机物，按照其目标化学键建立分子模型；B、根据目标有机物化学键的键长L、化学键两端中较小端的分子表面积S，计算打断有机物化学键所做的功W ；C、计算打断目标化学键的控制参数ξ，并确定ξ e(i，ξ0), Itl定义如下将打断目标有机物中化学键所需临界压强按照大小依次排列为Pi、P2>…、pm、pm+1、Pm+2、…，其中Pm为打断目标化学键的临界压强，则ξ Q=Pm+1/Pm ；D、根据超声波在水中作用的瞬时压强公式，计算出空化气泡溃灭时产生的压强P ;E、将上述步骤所得参数整理进入Rayleigh-Plesset方程,获得超声波频率计算模型；F、确定上述超声波频率计算模型的反应初始条件及控制条件，通过对超声波频率计算模型进行参数调整获取超声波处理目标有机物的最佳频率；G、根据步骤F所得最佳频率设计、制作用于处理目标有机物的超声波换能器。作为本专利技术的一种优选技术方案，步骤B中所述打断有机物化学键所做的功W由下述公式计算得到W=P · S · L公式 I其中，W为打断目标有机物化学键所做的功屮为空化气泡溃灭时产生的压强；S为化学键两端中较小端的分子表面积山为目标化学键键长。作为本专利技术的一种优选技术方案，步骤C中所述的控制参数ξ由下述公式计算得到ξ =P · S · L/ff0公式 2式中-J0为目标化学键键能，P为空化气泡溃灭时产生的压强；S为化学键两端中较小端的分子表面积山为目标化学键键长。作为本专利技术的一种优选技术方案，公式2中控制参数ξ的取值为ξ <1.9。作为本专利技术的一种优选技术方案，步骤D所述超声波在水中作用的瞬时压强公式如下权利要求1.，其特征在于该方法包括如下步骤 A、确定目标有机物，按照其目标化学键建立分子模型； B、根据目标有机物化学键的键长L、化学键两端中较小端的分子表面积S，计算打断有机物化学键所做的功W ； C、计算打断目标化学键的控制参数ξ，并确定ξe(l，ξ0), Itl定义如下将打断目标有机物中化学键所需临界压强按照大小依次排列为Pp P2>…、Pm、Pm+1、Pm+2、…，其中Pm为打断目标化学键的临界压强，则ξ Q=Pm+1/Pm ； D、根据超声波在水中作用的瞬时压强公式，计算出空化气泡溃灭时产生的压强P; E、将上述步骤所得参数整理进入Rayleigh-Plesset方程,获得超声波频率计算模型； F、确定上述超声波频率计算模型的反应初始条件及控制条件，通过对超声波频率计算丰吴型进行参数调整获取超声波处理目标有机物的最佳频率； G、根据步骤F所得最佳频率设计、制作用于处理目标有机物的超声波换能器。2.根据权利要求I所述的确定超声波处理有机物料的最佳频率的方法，其特征在于步骤B中所述打断有机物化学键所做的功W由下述公式计算得到 W=P · S · L公式 I 其中，W为打断目标有机物化学键所做的功；P为空化气泡溃灭时产生的压强；S为化学键两端中较小端的分子表面积；L为目标化学键键长。3.根据权利要求I所述的确定超声波处理有机物料的最佳频率的方法，其特征在于步骤C中所述的控制参数ξ由下述公式计算得到 ξ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定超声波处理有机物料的最佳频率的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：A、确定目标有机物，按照其目标化学键建立分子模型；B、根据目标有机物化学键的键长L、化学键两端中较小端的分子表面积S，计算打断有机物化学键所做的功W；C、计算打断目标化学键的控制参数ξ，并确定ξ∈（1，ξ0），ξ0定义如下：将打断目标有机物中化学键所需临界压强按照大小依次排列为P1、P2、…、Pm、Pm+1、Pm+2、…，其中Pm为打断目标化学键的临界压强，则ξ0=Pm+1/Pm；D、根据超声波在水中作用的瞬时压强公式，计算出空化气泡溃灭时产生的压强P；E、将上述步骤所得参数整理进入Rayleigh？Plesset方程，获得超声波频率计算模型；F、确定上述超声波频率计算模型的反应初始条件及控制条件，通过对超声波频率计算模型进行参数调整获取超声波处理目标有机物的最佳频率；G、根据步骤F所得最佳频率设计、制作用于处理目标有机物的超声波换能器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：闫正，刘金峒，刘晓楠，闫松，崔晓然，王紫义，孙宏丽，李庆，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：