專利名稱：一種確定超聲波處理有機(jī)物料的最佳頻率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種在超聲波催化、合成、降解有機(jī)物時(shí)，確定超聲波最佳頻率的方法，屬于聲化學(xué)類，用于有機(jī)化工、制藥、有機(jī)污染物處理等技術(shù)或超聲波換能器(發(fā)生器)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
人類耳朵能聽到的聲波頻率為20 20000Hz，當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20kHz時(shí)，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(zhì)是一致的，在介質(zhì)中具有反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，只是超聲波的頻率更高，波長更短，在一定距離內(nèi)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(zhì)內(nèi)傳播，是一種能量的傳播形式。在振幅相同的條件下，一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率 成正比，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率越高，傳播的能量就越大。超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，存在著一個(gè)正負(fù)壓強(qiáng)的交變周期，改變了液體原來的密度。在正壓相位時(shí)，超聲波對(duì)介質(zhì)分子擠壓，使密度增大；而在負(fù)壓相位時(shí)，超聲波對(duì)介質(zhì)分子拉伸，使密度減小。特別是在負(fù)壓區(qū)內(nèi)介質(zhì)分子被拉伸，分子間的平均距離會(huì)超過使液體介質(zhì)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(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)歷初生、發(fā)育、振蕩和隨后迅速崩潰的過程。當(dāng)它們迅速崩潰破滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生微激波，局部產(chǎn)生高溫高壓，這種現(xiàn)象稱為空化現(xiàn)象?？栈瘹馀荼粔嚎s直至崩潰的一瞬間，可使氣相反應(yīng)區(qū)的溫度達(dá)到5200K左右，液相反應(yīng)區(qū)的有效溫度達(dá)到1900K左右，局部壓力在5X105kPa，溫度變化率高達(dá)109K/s，并伴有強(qiáng)烈的沖擊波和速度達(dá)400km/h的微射流。超聲波被廣泛的運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，主要基于其空化作用以及空化伴隨的機(jī)械效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)、生物效應(yīng)等。機(jī)械效應(yīng)主要表現(xiàn)在非均相反應(yīng)界面的增大，主要應(yīng)用在吸附、結(jié)晶、電化學(xué)、非均相化學(xué)反應(yīng)、過濾以及超聲清洗等；化學(xué)效應(yīng)主要是由于空化過程中產(chǎn)生的高溫高壓使得高分子分解、化學(xué)鍵斷裂和產(chǎn)生自由基等，主要應(yīng)用在有機(jī)物降解、高分子化學(xué)反應(yīng)以及其他自由基反應(yīng)；熱效應(yīng)主要表現(xiàn)在空化泡在崩潰的瞬間，產(chǎn)生了5000K的高溫，對(duì)揮發(fā)進(jìn)入空化泡內(nèi)的有機(jī)氣體及空化泡氣液界面處的有機(jī)物料，有熱解斷鍵作用，使得有機(jī)物料得到降解。影響超聲波空化效應(yīng)的主要因素有物理參數(shù)、聲場參數(shù)兩方面物理參數(shù)包括液體溫度、液體中溶解氣體、溶液的pH、粘滯系數(shù)、面張力系數(shù)等，這些參數(shù)主要影響空化閾值；聲場參數(shù)主要包括超聲波頻率、聲強(qiáng)及聲功率、聲壓振幅、聲波波形、反應(yīng)器類型等。在影響超聲波空化因素中，超聲波頻率與有機(jī)物料的物化性質(zhì)關(guān)聯(lián)度最大，直接影響著空化氣泡的大小及數(shù)量。在低頻時(shí)，氣泡數(shù)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(dá)到共振半徑而強(qiáng)烈振蕩，而后瞬間發(fā)生塌縮崩潰，因而爆破更加猛烈。在高頻時(shí)，氣泡數(shù)量多但直徑小，空化泡的形成和崩潰速度更快，產(chǎn)生的自由基更容易進(jìn)入液相主體中。因此，對(duì)于某一種有機(jī)物料，一般都有一個(gè)最佳頻率點(diǎn)，在這個(gè)頻率點(diǎn)上，空化強(qiáng)度可達(dá)到最大值，相應(yīng)的超聲反應(yīng)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(jié)構(gòu)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(gè)換能器只能產(chǎn)生一種主振頻率，不能實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)可調(diào)。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(fù)實(shí)驗(yàn)，確定出超聲波的最佳頻率。這種方法對(duì)工藝條件要求高，過程復(fù)雜而且周期長，且只能找到一個(gè)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(fù)頻裝置或倍頻裝置”等，將有機(jī)物料放置在多個(gè)頻率的超聲場中處理。這種方法的裝置復(fù)雜，其結(jié)論也只能是說多個(gè)頻率比單一頻率的處理效果好。因此，尋找超聲波處理有機(jī)物料的最佳頻率就是亟待解決的問題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種在催化、合成、降解有機(jī)物料時(shí)確定超聲波最佳頻率的方法，用于超聲化學(xué)工業(yè)產(chǎn)業(yè)中指導(dǎo)設(shè)計(jì)超聲波換能器，避免由于反復(fù)實(shí)驗(yàn)尋找超聲波最佳頻率造成的人、財(cái)、物和時(shí)間的浪費(fèi)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。一種確定超聲波處理有機(jī)物料的最佳頻率的方法，該方法包括如下步驟A、確定目標(biāo)有機(jī)物，按照其目標(biāo)化學(xué)鍵建立分子模型；B、根據(jù)目標(biāo)有機(jī)物化學(xué)鍵的鍵長L、化學(xué)鍵兩端中較小端的分子表面積S，計(jì)算打斷有機(jī)物化學(xué)鍵所做的功W ；C、計(jì)算打斷目標(biāo)化學(xué)鍵的控制參數(shù)ξ，并確定ξ e(i，ξ0), Itl定義如下將打斷目標(biāo)有機(jī)物中化學(xué)鍵所需臨界壓強(qiáng)按照大小依次排列為Pi、P2>…、pm、pm+1、Pm+2、…，其中Pm為打斷目標(biāo)化學(xué)鍵的臨界壓強(qiáng)，則ξ Q=Pm+1/Pm ；D、根據(jù)超聲波在水中作用的瞬時(shí)壓強(qiáng)公式，計(jì)算出空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)P ;E、將上述步驟所得參數(shù)整理進(jìn)入Rayleigh-Plesset方程,獲得超聲波頻率計(jì)算模型；F、確定上述超聲波頻率計(jì)算模型的反應(yīng)初始條件及控制條件，通過對(duì)超聲波頻率計(jì)算模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整獲取超聲波處理目標(biāo)有機(jī)物的最佳頻率；G、根據(jù)步驟F所得最佳頻率設(shè)計(jì)、制作用于處理目標(biāo)有機(jī)物的超聲波換能器。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，步驟B中所述打斷有機(jī)物化學(xué)鍵所做的功W由下述公式計(jì)算得到W=P · S · L公式 I其中，W為打斷目標(biāo)有機(jī)物化學(xué)鍵所做的功屮為空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)；S為化學(xué)鍵兩端中較小端的分子表面積山為目標(biāo)化學(xué)鍵鍵長。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，步驟C中所述的控制參數(shù)ξ由下述公式計(jì)算得到ξ =P · S · L/ff0公式 2式中-J0為目標(biāo)化學(xué)鍵鍵能，P為空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)；S為化學(xué)鍵兩端中較小端的分子表面積山為目標(biāo)化學(xué)鍵鍵長。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，公式2中控制參數(shù)ξ的取值為ξ <1.9。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，步驟D所述超聲波在水中作用的瞬時(shí)壓強(qiáng)公式如下
權(quán)利要求
1.一種確定超聲波處理有機(jī)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(biāo)有機(jī)物，按照其目標(biāo)化學(xué)鍵建立分子模型； B、根據(jù)目標(biāo)有機(jī)物化學(xué)鍵的鍵長L、化學(xué)鍵兩端中較小端的分子表面積S，計(jì)算打斷有機(jī)物化學(xué)鍵所做的功W ； C、計(jì)算打斷目標(biāo)化學(xué)鍵的控制參數(shù)ξ，并確定ξe(l，ξ0), Itl定義如下將打斷目標(biāo)有機(jī)物中化學(xué)鍵所需臨界壓強(qiáng)按照大小依次排列為Pp P2>…、Pm、Pm+1、Pm+2、…，其中Pm為打斷目標(biāo)化學(xué)鍵的臨界壓強(qiáng)，則ξ Q=Pm+1/Pm ； D、根據(jù)超聲波在水中作用的瞬時(shí)壓強(qiáng)公式，計(jì)算出空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)P; E、將上述步驟所得參數(shù)整理進(jìn)入Rayleigh-Plesset方程,獲得超聲波頻率計(jì)算模型； F、確定上述超聲波頻率計(jì)算模型的反應(yīng)初始條件及控制條件，通過對(duì)超聲波頻率計(jì)算豐吳型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整獲取超聲波處理目標(biāo)有機(jī)物的最佳頻率； G、根據(jù)步驟F所得最佳頻率設(shè)計(jì)、制作用于處理目標(biāo)有機(jī)物的超聲波換能器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的確定超聲波處理有機(jī)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(jī)物化學(xué)鍵所做的功W由下述公式計(jì)算得到 W=P · S · L公式 I 其中，W為打斷目標(biāo)有機(jī)物化學(xué)鍵所做的功；P為空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)；S為化學(xué)鍵兩端中較小端的分子表面積；L為目標(biāo)化學(xué)鍵鍵長。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的確定超聲波處理有機(jī)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(shù)ξ由下述公式計(jì)算得到 ξ =P · S · L/ff0公式 2 式中=Wtl為目標(biāo)化學(xué)鍵鍵能，P為空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)；S為化學(xué)鍵兩端中較小端的分子表面積；L為目標(biāo)化學(xué)鍵鍵長。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的確定超聲波處理有機(jī)物料的最佳頻率的方法，其特征在于公式2中控制參數(shù)ξ的取值為I彡ξ ^ 1.9.
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的確定超聲波處理有機(jī)物料的最佳頻率的方法，其特征在于步驟D所述超聲波在水中作用的瞬時(shí)壓強(qiáng)公式如下
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的確定超聲波處理有機(jī)物料的最佳頻率的方法，其特征在于公式4中的R、i可由公式5Rayleigh_Plesset方程計(jì)算得到
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的確定超聲波處理有機(jī)物料的最佳頻率的方法，其特征在于依據(jù)公式5，步驟F中所述的反應(yīng)初始條件及控制條件如下 表I初始條件
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的確定超聲波處理有機(jī)物料的最佳頻率的方法，其特征在于依據(jù)公式5，步驟F中對(duì)超聲波頻率計(jì)算模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的方法如下首先設(shè)定ω的值，計(jì)算得到P，代入公式2，得到ξ ;若| ￠. (I, ξ。則不斷改變?chǔ)氐闹担钡剿蟮玫摩?e (1，ξ。為止；將此時(shí)的ω?fù)Q算成 =ω/2π ,即為超聲波處理目標(biāo)有機(jī)物的最佳頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種確定超聲波處理有機(jī)物料的最佳頻率的方法，該方法包括如下步驟A、確定目標(biāo)有機(jī)物；B、根據(jù)目標(biāo)有機(jī)物化學(xué)鍵的鍵長L、化學(xué)鍵兩端中較小端的分子表面積S，計(jì)算打斷有機(jī)物化學(xué)鍵所做的功W；C、計(jì)算打斷目標(biāo)化學(xué)鍵的控制參數(shù)ξ；D、計(jì)算出空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)P；E、將上述步驟所得參數(shù)整理進(jìn)入Rayleigh-Plesset方程，獲得超聲波頻率計(jì)算模型；F、通過對(duì)超聲波頻率計(jì)算模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整獲取超聲波處理目標(biāo)有機(jī)物的最佳頻率；G、根據(jù)步驟F所得最佳頻率設(shè)計(jì)、制作用于處理目標(biāo)有機(jī)物的超聲波換能器。本發(fā)明用于超聲化學(xué)工業(yè)產(chǎn)業(yè)中指導(dǎo)設(shè)計(jì)超聲波換能器，能夠避免由于反復(fù)實(shí)驗(yàn)尋找超聲波最佳頻率造成的人、財(cái)、物和時(shí)間的浪費(fèi)。
文檔編號(hào)C02F1/36GK102963957SQ20121048703
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者閆正, 劉金峒, 劉曉楠, 閆松, 崔曉然, 王紫義, 孫宏麗, 李慶 申請(qǐng)人:河北大學(xué)