一種確定超聲波處理有機物料的最佳頻率的方法技術

本發明專利技術公開了一種確定超聲波處理有機物料的最佳頻率的方法，該方法包括如下步驟：A、確定目標有機物；B、根據目標有機物化學鍵的鍵長L、化學鍵兩端中較小端的分子表面積S，計算打斷有機物化學鍵所做的功W；C、計算打斷目標化學鍵的控制參數ξ；D、計算出空化氣泡潰滅時產生的壓強P；E、將上述步驟所得參數整理進入Rayleigh-Plesset方程，獲得超聲波頻率計算模型；F、通過對超聲波頻率計算模型進行參數調整獲取超聲波處理目標有機物的最佳頻率；G、根據步驟F所得最佳頻率設計、制作用于處理目標有機物的超聲波換能器。本發明專利技術用于超聲化學工業產業中指導設計超聲波換能器，能夠避免由于反復實驗尋找超聲波最佳頻率造成的人、財、物和時間的浪費。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術提供了一種在超聲波催化、合成、降解有機物時，確定超聲波最佳頻率的方法，屬于聲化學類，用于有機化工、制藥、有機污染物處理等技術或超聲波換能器(發生器)領域。
技術介紹
人類耳朵能聽到的聲波頻率為20 20000Hz，當聲波的振動頻率大于20kHz時，就超出了人耳聽覺的上限，人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲波和聲波的本質是一致的，在介質中具有反射、折射、衍射、散射等傳播規律，只是超聲波的頻率更高，波長更短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。超聲波通常以縱波的方式在彈性介質內傳播，是一種能量的傳播形式。在振幅相同的條件下，一個物體振動的能量與振動頻率 成正比，介質質點振動的頻率越高，傳播的能量就越大。超聲波在液體介質中傳播時，存在著一個正負壓強的交變周期，改變了液體原來的密度。在正壓相位時，超聲波對介質分子擠壓，使密度增大；而在負壓相位時，超聲波對介質分子拉伸，使密度減小。特別是在負壓區內介質分子被拉伸，分子間的平均距離會超過使液體介質保持不變的臨界分子距離，引起液體和液一固界面的斷裂，形成微小的空泡和氣泡。這些空泡和氣泡處于非穩定狀態，經歷初生、發育、振蕩和隨后迅速崩潰的過程。當它們迅速崩潰破滅時會產生微激波，局部產生高溫高壓，這種現象稱為空化現象。空化氣泡被壓縮直至崩潰的一瞬間，可使氣相反應區的溫度達到5200K左右，液相反應區的有效溫度達到1900K左右，局部壓力在5X105kPa，溫度變化率高達109K/s，并伴有強烈的沖擊波和速度達400km/h的微射流。超聲波被廣泛的運用于各個領域，主要基于其空化作用以及空化伴隨的機械效應、化學效應、熱效應、生物效應等。機械效應主要表現在非均相反應界面的增大，主要應用在吸附、結晶、電化學、非均相化學反應、過濾以及超聲清洗等；化學效應主要是由于空化過程中產生的高溫高壓使得高分子分解、化學鍵斷裂和產生自由基等，主要應用在有機物降解、高分子化學反應以及其他自由基反應；熱效應主要表現在空化泡在崩潰的瞬間，產生了5000K的高溫，對揮發進入空化泡內的有機氣體及空化泡氣液界面處的有機物料，有熱解斷鍵作用，使得有機物料得到降解。影響超聲波空化效應的主要因素有物理參數、聲場參數兩方面物理參數包括液體溫度、液體中溶解氣體、溶液的pH、粘滯系數、面張力系數等，這些參數主要影響空化閾值；聲場參數主要包括超聲波頻率、聲強及聲功率、聲壓振幅、聲波波形、反應器類型等。在影響超聲波空化因素中，超聲波頻率與有機物料的物化性質關聯度最大，直接影響著空化氣泡的大小及數量。在低頻時，氣泡數量少但直徑大，氣泡有明顯的生長、崩潰的過程，空化核在稀疏階段達到共振半徑而強烈振蕩，而后瞬間發生塌縮崩潰，因而爆破更加猛烈。在高頻時，氣泡數量多但直徑小，空化泡的形成和崩潰速度更快，產生的自由基更容易進入液相主體中。因此，對于某一種有機物料，一般都有一個最佳頻率點，在這個頻率點上，空化強度可達到最大值，相應的超聲反應的效率也就最高。而超聲波頻率來源于超聲波換能器，只要確定了換能器的結構形狀及尺寸大小，換能器的主振頻率就確定了。也就是說一個換能器只能產生一種主振頻率，不能實現頻率的連續可調。目前，確定超聲波最佳頻率的方法主要有兩種一種是采用不同的頻率，通過反復實驗，確定出超聲波的最佳頻率。這種方法對工藝條件要求高，過程復雜而且周期長，且只能找到一個頻率的大概范圍。另一種是采用“混響超聲場裝置”(如ZL200810218801. X)也可以稱為“復頻裝置或倍頻裝置”等，將有機物料放置在多個頻率的超聲場中處理。這種方法的裝置復雜，其結論也只能是說多個頻率比單一頻率的處理效果好。因此，尋找超聲波處理有機物料的最佳頻率就是亟待解決的問題
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是提供一種在催化、合成、降解有機物料時確定超聲波最佳頻率的方法，用于超聲化學工業產業中指導設計超聲波換能器，避免由于反復實驗尋找超聲波最佳頻率造成的人、財、物和時間的浪費。為解決上述技術問題，本專利技術所采取的技術方案如下。，該方法包括如下步驟A、確定目標有機物，按照其目標化學鍵建立分子模型；B、根據目標有機物化學鍵的鍵長L、化學鍵兩端中較小端的分子表面積S，計算打斷有機物化學鍵所做的功W ；C、計算打斷目標化學鍵的控制參數ξ，并確定ξ e(i，ξ0), Itl定義如下將打斷目標有機物中化學鍵所需臨界壓強按照大小依次排列為Pi、P2>…、pm、pm+1、Pm+2、…，其中Pm為打斷目標化學鍵的臨界壓強，則ξ Q=Pm+1/Pm ；D、根據超聲波在水中作用的瞬時壓強公式，計算出空化氣泡潰滅時產生的壓強P ;E、將上述步驟所得參數整理進入Rayleigh-Plesset方程,獲得超聲波頻率計算模型；F、確定上述超聲波頻率計算模型的反應初始條件及控制條件，通過對超聲波頻率計算模型進行參數調整獲取超聲波處理目標有機物的最佳頻率；G、根據步驟F所得最佳頻率設計、制作用于處理目標有機物的超聲波換能器。作為本專利技術的一種優選技術方案，步驟B中所述打斷有機物化學鍵所做的功W由下述公式計算得到W=P · S · L公式 I其中，W為打斷目標有機物化學鍵所做的功屮為空化氣泡潰滅時產生的壓強；S為化學鍵兩端中較小端的分子表面積山為目標化學鍵鍵長。作為本專利技術的一種優選技術方案，步驟C中所述的控制參數ξ由下述公式計算得到ξ =P · S · L/ff0公式 2式中-J0為目標化學鍵鍵能，P為空化氣泡潰滅時產生的壓強；S為化學鍵兩端中較小端的分子表面積山為目標化學鍵鍵長。作為本專利技術的一種優選技術方案，公式2中控制參數ξ的取值為ξ <1.9。作為本專利技術的一種優選技術方案，步驟D所述超聲波在水中作用的瞬時壓強公式如下權利要求1.，其特征在于該方法包括如下步驟 A、確定目標有機物，按照其目標化學鍵建立分子模型； B、根據目標有機物化學鍵的鍵長L、化學鍵兩端中較小端的分子表面積S，計算打斷有機物化學鍵所做的功W ； C、計算打斷目標化學鍵的控制參數ξ，并確定ξe(l，ξ0), Itl定義如下將打斷目標有機物中化學鍵所需臨界壓強按照大小依次排列為Pp P2>…、Pm、Pm+1、Pm+2、…，其中Pm為打斷目標化學鍵的臨界壓強，則ξ Q=Pm+1/Pm ； D、根據超聲波在水中作用的瞬時壓強公式，計算出空化氣泡潰滅時產生的壓強P; E、將上述步驟所得參數整理進入Rayleigh-Plesset方程,獲得超聲波頻率計算模型； F、確定上述超聲波頻率計算模型的反應初始條件及控制條件，通過對超聲波頻率計算豐吳型進行參數調整獲取超聲波處理目標有機物的最佳頻率； G、根據步驟F所得最佳頻率設計、制作用于處理目標有機物的超聲波換能器。2.根據權利要求I所述的確定超聲波處理有機物料的最佳頻率的方法，其特征在于步驟B中所述打斷有機物化學鍵所做的功W由下述公式計算得到 W=P · S · L公式 I 其中，W為打斷目標有機物化學鍵所做的功；P為空化氣泡潰滅時產生的壓強；S為化學鍵兩端中較小端的分子表面積；L為目標化學鍵鍵長。3.根據權利要求I所述的確定超聲波處理有機物料的最佳頻率的方法，其特征在于步驟C中所述的控制參數ξ由下述公式計算得到 ξ 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種確定超聲波處理有機物料的最佳頻率的方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：A、確定目標有機物，按照其目標化學鍵建立分子模型；B、根據目標有機物化學鍵的鍵長L、化學鍵兩端中較小端的分子表面積S，計算打斷有機物化學鍵所做的功W；C、計算打斷目標化學鍵的控制參數ξ，并確定ξ∈（1，ξ0），ξ0定義如下：將打斷目標有機物中化學鍵所需臨界壓強按照大小依次排列為P1、P2、…、Pm、Pm+1、Pm+2、…，其中Pm為打斷目標化學鍵的臨界壓強，則ξ0=Pm+1/Pm；D、根據超聲波在水中作用的瞬時壓強公式，計算出空化氣泡潰滅時產生的壓強P；E、將上述步驟所得參數整理進入Rayleigh？Plesset方程，獲得超聲波頻率計算模型；F、確定上述超聲波頻率計算模型的反應初始條件及控制條件，通過對超聲波頻率計算模型進行參數調整獲取超聲波處理目標有機物的最佳頻率；G、根據步驟F所得最佳頻率設計、制作用于處理目標有機物的超聲波換能器。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：閆正，劉金峒，劉曉楠，閆松，崔曉然，王紫義，孫宏麗，李慶，
申請(專利權)人：河北大學，
類型：發明
國別省市：