第10卷第2期 2010年4月
过程工程学报
The Chinese Jourmal of Process Engineering
一种纳米颗粒粒度分布的非接触测量方法
董学金，苏明旭，蔡小舒，呼剑，韩晓林
(上海理工大学颗粒与两相流测量技术研究所，上海200093)
Vol.10 No.2 Apr.2010
摘要：研究了基于高频宽带超声衰减谱非接触式方法测量纳米颗粒悬浊液中颗粒相粒度分布间题，通过理论分析和数值计算，选择ECAH模型作为反演计算的理论模型，以1%()的纳米银水悬浊液作为实验样品，采用标称中心频率为50MHz的超声换能器和变声程脉冲回波法进行了非接触测量，获得了可利用的高频宽带(10~50MHz)超声衰减谱，结合理论模型和最优正则化算法反演出纳米颗粒的粒度分布.实验结果与透射电子显微镜法和高速离心沉降法的测
定结果吻合较好，表明该方法可测量悬浊液中纳米颗粒粒度分布. 关键词：超声波；非接触；衰减谱；纳米颗粒；粒度分布
中图分类号：TB383 1前言
文献标识码：A
文章编号：1009-606X(2010)02-0231-05
超声衰减谱，再结合最优正则化算法(Optimal
纳米颗粒一般指颗粒粒径介于1~100nm间的粒子由于这种尺寸的颗粒所表现出的独特效应，如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，使其具有许多特有的性质，并在催化、滤光、医药、磁介质及新材料等方面有着广阔的应用前景。纳米颗粒作为纳米科学技术的重要组成部分，其研究和应用越来越"泛，对纳米颗粒粒度表征研究也具有非常重要的价值和意义.目前应用于纳米颗粒粒径测量的方法有电子显微镜法、激光粒度分析法、高速离心沉降法、光子相关谱法等叫相比上述几种方法，超声波法的优点为测量粒径范围宽、测量速度快、可直接对高浓度样品进行非接触测量、设备简单且价格便宜等[(23],
超声法测量纳米颗粒粒度通过对颗粒系中传播超声波衰减谱进行测量，再与严格数学模型的预测结果比较和反演计算求解颗粒相粒度分布[]，Kulmyrzaev等[5] 对亚微米级的食品胶体颗粒进行了详细研究， Bamberger等ll研究了浆料粒度和浓度实时监测问题， Harlen等[7]则重点关注高频超声波在颗粒系中的散射和衰减数值计算问题：国内学者也对乳浊液中亚微米级颗粒、河流中微米级泥沙颗粒[9]等进行了研究.但目前对纳米级颗粒的超声法测量研究不多，需要对其衰减谱特征和测量方法进行更细致的考虑。本工作根据超声衰减谱(Epstein-CarhartsAllegraHawley,ECAH)模型，通过数值方法分析了不同浓度和粒度条件下纳米级颗粒的高频超声衰减谱特征，实验中采用高频宽带超声换能器，通过非接触式变声程脉冲回波法测量纳米颗粒在器浊液中的超声信号，并得到10~50MHz的可利用宽频
RegularizationTechnique，ORT)反演计算纳米颗粒的粒
度分布，使可测量纳米颗粒粒径下限达到5nm 2纳米颗粒测量原理
声波在固-液两相流中的传播和相互作用是很复杂的物理过程，包括了声的散射、粘性和热耗散效应，并产生相应的声能衰减.目前已知的衰减机制10]主要有：(1)粘性损失，由剪切波引起，因为颗粒与连续相间存在密度差，导致颗粒在声压场中振荡，作相对于连续相的运动；(2)散射损失，在声散射中颗粒改变了部分声能流动方向，使这一部分声被接收换能器接收到：(3)热损失，由于压力与温度的热力学耦合关系，波动会出现热力损失：(4)内部吸收损失，超声波与均匀相中颗粒及介质材料间的相互作用导致；(5)结构损失，随颗粒浓度升高，颗粒间相互作用增强，导致声能损失，大多数情况下，
前4种是造成超声波衰减的主要因素 2.1ECAH模型
ECAH模型假设待测试样颗粒呈球形且仅发生一
次作用，考患了最重要的4种声衰减机制，即粘性损失、热损失、散射损失和内部吸收损失对颗粒两相介质声衰减和声速的影响．入射平面波和悬浮颗粒相互作用，使颖粒内部和外部连续流体介质中产生3类不同模式波：压缩波，热波和剪切波.波数分别由下式给出：
[k,=a/c+ia,
k,=(1+1)(op/2)[=(1+(pC,/2r)2
(1)
其中，k。表示压缩波数(rad/m)，o是角频率(rad/s)，c和
收稿日期：2010-0204，修回日期：20100329
基金项目：国家自然科学基金资助项H(编号：50706029，50836003)：上海市“科技创新行动计划"纳米科技专项基金资助项月(编号：0852nm06700）
作者简介：董学金(1985-)，男，渐江省杭州市人，硕士研究生，热能工程专业：苏明旭，通讯联系人，E-mail:iptfm@163.com 万方数据