超声场强度测量及甘草酸浸取动力学研究

论文摘要

超声强化化工过程是超声化学的一个重要应用。超声空化是超声强化的基础，声场强度的大小及分布是声空化强弱的一个反映，了解超声声场强度的分布规律对于研究超声强化效应是十分必要的。本文首先采用铝箔法直观的表征了空化现象的存在，并运用高速摄影技术观测了探头下方的空化泡云，空化泡大多集中在探头辐射表面处，其覆盖范围随着超声电功率的增大而增大。以纯水均相体系为研究对象，采用量热法测量了体系的平均声场强度大小。结果表明，相同频率下，平均声场强度随着超声电功率的增大而增大；相同电功率下，20kHz下的平均声场强度高于30kHz。采用热探针法，测量了烧杯内一系列位置处的声场强度的大小。结果表明，探头式超声设备的声场满足球面波声场的特性，高声场强度区域集中在探头附近，而远离探头辐射表面处声场强度较小。将烧杯视为圆柱体，声场强度沿着轴向和径向呈指数形式衰减，且在轴向上具有一定的波动性，相邻两个波峰的距离与超声波的波长相等。由于轴向上空化云的屏蔽效应，声场强度在轴向的衰减速率大于径向。相同频率下，高声场强度区域随着电功率的增大而增大；相同电功率下，同一位置处，20kHz下的声场强度大于30kHz。在纯水均相体系的基础上，考察了甘草-水固液非均相体系的声场强度规律。与纯水体系相似，相同频率下，平均声场强度及高声场强度的覆盖区域随超声电功率的增大而增大；相同电功率下，20kHz下的平均声场强度大于30kHz；同一位置处，20kHz下的声场强度大于30kHz。固液体系中声场强度的衰减速率更快，且波动性消失。通过研究甘草酸浸取过程发现：甘草酸提取过程分两个阶段，第一阶段浓度快速升高；第二阶段浓度变化较小。比表面积测定结果表明甘草颗粒的比表面积处在一个相对较低的水平上，甘草颗粒内部的传质过程很慢。通过比较甘草酸的初始浸取速率及最终平衡浓度发现：与搅拌浸取相比，超声作用下的平衡浓度及初始浸取速率更大，且20kHz下优于30kHz；相同频率下，平衡浓度及初始浸取速率随着超声电功率的增大呈波动状态；温度升高，平衡浓度及初始浸取速率均增大。声场强度的大小及分布是产生这一现象的原因。基于膜理论及Peleg经验方程建立了甘草酸的浸取动力学模型，与实验值吻合良好，得出了传质系数。结果表明，在甘草酸的提取过程中，传质推动力是影响浸取速率的决定因素。超声频率与电功率存在一定的匹配关系，以获得最佳的强化效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 超声
• 1.1.1 超声波的描述
• 1.1.2 超声波的反射与折射
• 1.1.3 声场的近场与远场
• 1.1.4 超声波的衰减
• 1.1.5 声波的干涉、驻波及混响场
• 1.1.6 超声空化
• 1.2 超声场强度的测量
• 1.2.1 压电陶瓷探针
• 1.2.2 铝箔法
• 1.2.3 热探针
• 1.2.4 量热法
• 1.2.5 化学法
• 1.2.6 水听器法
• 1.3 超声的应用
• 1.3.1 化学合成
• 1.3.2 污水处理
• 1.3.3 超声清洗
• 1.3.4 超声辅助浸取
• 1.4 超声强化的原因
• 1.4.1 湍动效应
• 1.4.2 热效应
• 1.4.3 声致发光
• 1.4.4 声致自由基
• 1.5 影响超声强化的因素
• 1.5.1 频率
• 1.5.2 超声电功率
• 1.5.3 液体性质
• 1.5.4 温度
• 1.6 超声强化传质模型
• 1.7 本课题的研究意义及主要内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验仪器及药品
• 2.2 铝箔法表征声场强度
• 2.3 量热法测量平均声场强度
• 2.4 空化云观测
• 2.5 热探针法表征声场强度
• 2.5.1 热电偶的校准
• 2.5.2 热探针的制备
• 2.5.3 热探针的响应
• 2.6 纯水体系声场强度测量
• 2.7 甘草-水体系声场测量
• 2.8 甘草酸浸取过程研究
• 2.8.1 甘草酸标准曲线的绘制
• 2.8.2 常规搅拌浸取
• 2.8.3 超声辅助浸取
• 2.9 本章小结
• 第3章 声场分析
• 3.1 铝箔法对声场强度的表征
• 3.2 电功率对空化云的影响
• 3.3 纯水体系声场强度分布
• 3.3.1 电功率对声场强度的影响
• 3.3.2 频率对声场强度的影响
• 3.3.3 探头插入深度对声场强度的影响
• 3.3.4 声场强度沿轴向的分布
• 3.3.5 声场强度沿径向的分布
• 3.4 固液体系声场强度分布
• 3.4.1 电功率对声场强度的影响
• 3.4.2 频率对声场强度的影响
• 3.4.3 声场强度沿轴向的分布
• 3.4.4 声场强度沿径向的分布
• 3.4.5 温度对声场强度的影响
• 3.4.6 甘草-水体系与纯水体系对比
• 3.5 本章小结
• 第4章 超声辅助甘草酸浸取动力学
• 4.1 超声对甘草酸浸取过程的影响
• 4.1.1 超声频率
• 4.1.2 超声电功率
• 4.1.3 浸取温度
• 4.2 甘草酸浸取动力学模型
• 4.2.1 膜理论
• 4.2.2 Peleg 经验模型
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A 超声热效应
• 附录B 声场分布图汇总