[发明专利]一种确定超声波处理有机物料的最佳频率的方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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—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5×10⁵kPa，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。

发明内容

本发明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，本发明所采取的技术方案如下。

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，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；