循环式多级超声波分散机的研制

　　0引言

　　超声波分散是在液体中将一种或几种物质(固、液、气)在超声波的作用下均匀地分散开并形成稳定的体系的一种分散技术[1]。超声波分散技术应用广泛,如:生物工程中用于破碎细胞壁、提取蛋白质或遗传基因等生命活性物质;环境工程中用于消毒净化、污水处理、海水淡化、清洁燃油的制备等;新材料的制备中用于纳米材料[2]、超细粉末的制备和分散;化工制药中用于优质涂料、农药的分散和乳化[3];在新型纺织品的制备中,用于将功能粒子分散到纤维中,以制备功能性纤维等[4]。

　　超声波对物理或化学过程的作用机理主要源于空化效应,超声波分散也是基于空化作用的机理。超声空化是液体的一种极其复杂的物理化学现象,液体中的微小泡核在超声波作用下被激化,随后表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。在空化泡崩溃时的极短时间内,在空化泡的极小空间中将产生局部高温、高压以及强烈的冲击波和快速射流。在局部高温高压的作用下,分散的效果得到了极大提高,是一般的分散技术如搅拌分散所不能比拟的。本文提出了循环式多级超声波分散的原理,在分析循环式多级超声波分散机结构要求的基础上研制了循环式多级超声波分散机;对由压电换能器变幅杆和分散工具组成的声学系统进行了有限元分析;使用循环式多级超声波分散机进行了柴油掺水乳化。实验表明,循环式多级超声波分散机结构合理、性能优良,达到了预定分散的效果。

　　1工作原理

　　图1为循环式多级超声波分散机的工作原理图。它采用了不同功率、不同频率的多级超声波分散装置依次串联在一起的结构方式,通过泵将贮液槽中的混合液体连续不断地抽出送入第一级超声波分散装置内进行分散,依靠泵提供的压力将第一级分散后的混合液再依次送入第二、第三级分散装置进行分散,如此不断循环,直至达到预定的分散要求才停止分散工作。这种结构的优点在于充分地发挥了超声波在分散中的作用,且分散时间和乳液类型可以控制。

　　每一级超声分散装置的设计与制造是循环式多级超声波分散机的关键,包括压电换能器、变幅杆、工具头的设计与制造。表1为各级超声波分散装置的形状与材质。

　　2声学系统

　　图2为第一级超声波分散装置的声学系统,它由夹心式压电换能器、变幅杆、工具头通过螺杆连接而成。超声波分散的效果主要取决于分散容器内空化作用的强度,这就要求分散工具与分散容器的间隙尽可能小,以增强分散效果,一般应小于1mm,且要保证容器在分散过程中的密封性。