超声波雾化幕幛技术研究

　　超声波造雾是利用超声波雾化[1]凝水催化剂溶液的方式快速产生大量微米级的小雾滴,悬浮于空中形成具有良好遮蔽效果的人工雾幛.该技术具有宽频谱、用量少、仿天然伪装、无火灾隐患等优点,是实现大面积非烟火型人工造雾的较佳方式.

　　1 超声波造雾原理

　　超声波雾化是利用高频电子电路,使电能转化作用于陶瓷谐振片上产生谐振而形成兆赫兹级别的超声波,超声波在水中的传播会产生局部的超高温、超高压,并进一步激发出空化水柱,撕破水的张力,产生微米级的雾状水滴.该技术已经在人造雾景观中得到了较为广泛的应用,但所成雾的稳定性差,一旦雾化停止,雾立即消失,难以实现长时间稳定雾幛.这是由于传统雾化提供的是纯水滴,其蒸汽压很高,容易蒸发消失.若向空中提供的是含有凝水催化剂的溶液滴,根据溶液理论的Raoult定律,其表面微空间的蒸汽压将会降低,这样在合适的外界条件下液滴不但不会蒸发,反而有可能继续凝水长大.液滴的凝水生长情况与其成分、浓度和初始粒径密切相关.其中,雾滴初始粒径还是影响雾升空性能和悬浮性能的关键因素,可由修正后的Lang公式计算[2],

　　其中dp为液滴平均直径(cm),σ为表面张力(10^-3N/m),ρ为密度(g/mL),f为超声波频率(Hz),L和LX分别是溶液和水的粘度(10^-3Pa.s).

　　由此可见,雾滴初始粒径与雾化器参数及催化剂溶液的物化性质密切相关;同时,雾化器的雾化量,即单位时间内雾化的溶液体积,直接决定着单位时间内向空中所提供雾滴的数量,同样受到雾化器参数和催化剂溶液物化性质的影响.而初始粒径和雾化量(统称为雾化性能)是影响成雾效果的2个主要因素.

　　本文首先通过实验验证超声波雾化凝水催化剂溶液成雾的可行性;然后对含各种催化剂物质溶液的成雾效果进行比较,筛选出合适的催化剂;再通过该催化剂溶液的雾化性能和成雾效果对催化剂溶液进行优化,为最终获得优异性能的人工雾幛提供实验基础.

　　2 药品和仪器

　　2.1 药品

　　H、L1、L2、O、氯化钾、硫酸钠、硫酸镁、硝酸钙、硼酸钠、偏硼酸钠、蔗糖、丙二醇、吐温80、吐温20、OP-10、乙醇,以上药品均为分析纯.

　　2.2 仪器

　　NK-906型超声波加湿器,频率1.7 MHz,功率30 W,广东龙的集团;XSP-8CA型生物显微镜,上海第五光学仪器厂;松下DMC-FX3型数码相机,日本;JZHY-180型界面张力仪,承德试验机厂;DMA-35N型密度计,邯郸创科电子科技有限公司;雾样采集器(自制).

　　3 结果与讨论

　　3.1 成雾可行性实验验证

　　控制温度20°C,相对湿度80%,在小烟室(长4.8m,宽3.2m,高3.55m,体积54.5 m3)中利用超声波加湿器分别雾化纯水和质量浓度为10%的H、L1、KCl、MgSO4、Na2SO4溶液.造雾1 h的实验结果如表1所示.