CN103118776B - 液体介质超声空化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体介质的空化处理领域。声空化模式能在两个或多个不同频率上同时形成，其中机械振动系统-横截面为矩形的槽制成串联振膜的形状，振膜具有不同频率的振动基波，与槽相对同相产生振动形成驻波，反过来，形成与槽边界间隙中膜振动频率对应的拟平面驻波。槽间隙可被多个四分之一波长选定，在使用的频率的处理液体介质中退出。槽的振幅要调节至最适于液体介质的不同处理阶段的值。该方法可提高处理液体介质和该介质中主体部位的空化作用效率，且可限制超声波发射器的能量。

Description

液体介质超声空化处理方法

技术领域

本发明涉及液体介质及密度等于水的密度的介质或其它液体（超过总质量的65-70%）领域。

背景技术

众所周知，在各种不同经济领域中，超声空化可通过以下工艺流程/1-6/得到提高：

-胶液化；

-均质和乳化；

-混合；

-分裂；

-解聚

实践中，超声空化涉及多组分介质（乳液、悬浮液、水溶液和水系统）的生产过程和水、牛奶及其它液体产品的超声波杀菌（防腐）等。

超声波反应器中进行的液体介质处理方法可视为原型/1/。该方法包括通过杆反应器在液体中产生超声波，杆反应器邻端有一个声波源，声波源通常为压电辐射器。

可采用各种形式的杆反应器且邻接端可安装多个压电辐射器，但它们均注重底部邻接端和侧板/8/上杆的增亮振动。

这是因为实践中自距振动表面起几厘米处对超空化区按粒径进行测量。因此，由于处理液体在辐射器的平邻接端和平底之间形成联合波，杆的邻接端视为最有效区。因而应注意的是，很难使邻接端的直径大于50-70mm。

杆柱面的辐射作用比振幅和柱面发散度要小得多。将柱体外壁反射的声波考虑在内，通过与辐射装置邻接端和柱体底部间的无威胁场进行类比可估计实践上处理液体介质中不可能得到平面相干超声驻波的最佳条件。

介质中传输和反射的超声波的多路传输模式、无波的相干性及单频上的能量集中使得实践上主模中不可能得到分散相粒径小于～1.0mkm、均匀性标准规格不超过20%的乳液。因此，处理液体的体积会受到限制。

液体介质超声空化处理的另一替代方法实施时转子摆动。

通过转子脉动均质机/2/实现。

通过转动系统定子-转子使液体产生周期性的交替运动，声波作用照相机内产生承载超声波的空化效应。这是在声空化和水力空化之间临时作出的选择。目前，此类均质机最受欢迎，设计简单，且与超声模拟装置相比能以较低的成本处理大量的液体。符合要求的高速均质器可得到主模中分散相粒径为-1.5mkm、均匀性标准规格不超过12-15%的乳液。然而，由于机电系统较低的效率系数（达10%）将超声波能量限制在1.5-2瓦/平方厘米，因此该方法也存在许多重要的限制因素，无法对粘性介质进行作用和处理静态液体（体积定子-转子），及其它很多显著的限制性。

最接近的等效方法是根据2010年9月8日申请号为2010137176的专利申请和2011年3月22日俄罗斯知识产权专利和商标局积极的决定制备化妆品乳液制剂的方法。

处理液体介质中声波振幅的增亮通过矩形横截面的槽系统较大各侧的共振同相振动和槽内波的叠加实现，从而使得内测距离与槽较小侧相等且是处理介质中声波波长四分之一的倍数。可将槽较大侧共振频率上的最大能量集中起来并在槽内得到高强度的声驻波。

DERMANIKA公司进行的一项研究表明处理过程中的分散主模可为～500纳米或更少，乳液实践中不包括粒径尺寸1000纳米（1微米）的分散相，乳液中乳化剂的比例比平时少二倍或三倍。因此，转子脉动均质机可得到分散相尺寸大于1000纳米（1微米）且乳化剂比例/2/更多的乳液。

2009年召开的XIV国际研究和实践会议“化妆品制剂和原材料：安全和功效”对这一研究进行了不完整报告，荣获了第二名并获得证书，同时专业杂志上也进行了相关的公布。

从而产品的质量根据空化标准（空化阈值）[3,4]提高了最大效率运行共振模，及物理化学、流体力学、热交换和质量交换综合过程增强的最关键数字、产出品中提取的油相的最小粒径和均质性。

该技术由化妆品制造商“非开放股份公司（仅有几个股东的股份公司）实验室EMANSI”实现商业规模的应用。根据本工艺流程生产的最初产品是防闻到烟味的护手霜（适用于吸烟者，可保护手上的皮肤免受尼古丁和烟味的影响），通过了所有的认证试验。

2010年2月3日第77.01.12.915.П.006156.02.10号《卫生和医疗检查协议》和“光谱”实验室独立试验批准的符合性（符合2009年12月22日第19号相应的检验单的规定）声明（审定证书号：ROSS RU.0001.21PSH50）。

但该技术的应用具有很多限制性，（如若用于处理置于液体介质中的产品时会产生声波）。实践中，若要得到较高的强度，槽壁间的间隙宽度应不大于半个波长。若介质为水，则对应～3.4cm的尺寸、22khz的频率。另外，已多次注意到若液体用两种不同的频率进行处理，空化效应会增强。项目/7的第60页表明，用两种不同频率（22-44khz）的超声波同时冲击的过程中，可以看到空化效应显著增强，且比各场不同半帧频冲击细行总和得到的强得多。

试验中，试验者也得到了两种频率影响的实际结果和主要相关性，以得到不同的乳液（化妆品乳液、蛋黄酱和番茄酱等）。

发明内容

本发明的目的在于有效提高空化效应对处理液体介质的影响（声波的能量和振幅及相关性），同时限制超声波源的能量。

该目的通过以下方法实现：用两个或多个不同的频率形成声空化条件，同时机械振动系统-横截面为矩形的槽制成串联振膜的形状，振膜具有不同频率的振动基波，与槽同相相对产生振动形成驻波，反过来，形成与槽边界间隙中膜振动频率对应的拟平面驻波。此处，槽间隙h可被四分之一波长除尽，在使用的频率的处理液体介质中退出：

h=(k/4)*(C/f i),k=1,2,3,…

其中：

fi-槽膜驻波基波的频率，单位：hz；

C-液体介质中的声速，单位：mps；

h-槽间隙，单位：m；

槽边缘的振幅要调节至最适于液体介质的不同处理阶段并超过声空化阈值。

所述方法中使用了采用不同频率同时进行液体处理的概念。

可假定/3、7及其它/，高频空化在液体中产生气泡，在单个空化气泡水平进一步增大低频下声效应。

这通过最大数量的气泡和各个气泡的能量来实现。

记载中膜，与板相比，不能承受高于其振动频率的弯曲刚度。膜，与板相比，其振动频率不取决于它的标准规格。膜-板的特殊运行模式取决于多个因素，如固定在边缘的条件（张力）、弯曲、冲击频率等/11/。

对于边缘固定的矩形膜，固有振动频率设置在固定笛卡儿坐标系中后波传播的解如下/9和10/：

$\mathrm{\ω}=c\sqrt{k_x^2+k_y^2}=c\sqrt{{\left(j_x\frac{\mathrm{\π}}{L_x}\right)}^2+{\left(j_y\frac{\mathrm{\π}}{L_y}\right)}^2},$

其中，с-板上波的速度；

K_x和K_y-波数，它的值由边界条件确定；

L_x,-侧板长，轴向Ox；

L_x,-侧板长，轴向Oy;

j_x和j_y-整数，等于板对应侧纵向上波腹的数量。

为得到膜的峰值回弹，波腹的数量在两个坐标方向上均为1时，振动模式需要实行第一模式。这种情况下，膜的所有点以相同频率和相振动，偏离膜中心最远。

附图说明

图1为振动系统-横截面为矩形、交替膜形状的槽-典型的共振特性图；

图2为化妆品乳液分散相尺寸的直线连接图；

图3为化妆品乳液分散相粒径分布对比图。

具体实施方式

图1为振动系统-横截面为矩形、交替膜形状的槽-典型的共振特性。

图中可见，共振频率为～23.2khz，振动卷轴系统的系数Q是～7。可大幅增强液体中声波的振幅，使得能与该表面接触，因而传递至压电辐射源的能量不超过～50瓦。

第二膜转换成频率～40khz，Q系数为～6。传递给压电源的能量比在一个频率上处理时不多于50瓦（即2-2.5，应尽可能小）。

图2为化妆品乳液分散相尺寸的直线连接，图中尺寸通过使用两个膜的槽、转换成～23khz和～40khz的频率得到。高强度声学作用可将分散相主模的粒径从600-700纳米（尤其对于转换为一个频率的槽）降至500纳米，从而100纳米的离散区间的均质水平增加至30-35%。

图3为化妆品乳液分散相粒径分布对比图，通过不同的均质化方法得到-使用转子的典型的均质机，槽1频率上的超声空化（原型），2频率上的超声空化（所使用的方法）。

该方法在DERMANIKA公司生产地点的实施大幅提高了空化效应的效率以得到高质量的化妆品乳液，液体的处理体积提高了2-2.5倍，从而超声发生器的功率可从6千瓦降至3千瓦。

参考文献

1.Bronin F.А.《高强度超声场中固体的空化破裂和胶液化分析》。作者的工程学提要论文，MISIS，1967年。

2.Chervyakov V.М和Odno lko V.G.《水力和空化效应在转子装置中的应用》：Izd-vo Mashini st rienye，2008年。

3.Sirityuk M.G.《超声空化的实验研究》。该书中，强超声场，由L.D.Rosenberg主编，1968年。

4.Krasylnikov V.А.《空气、水和固体中的声波和超声波》-М：Fizmatgiz，1960年。

5.Bergman L.《科学技术中的超声波及其应用》-М：Inost rannayaliteratura，1956年。

6.V.I.Demenko、А.А.Getalov、Т.V.Puchkova和Е.А.Hotenkova.《化妆品乳液生产过程中乳化剂有效方法缺乏》，杂志《原材料和包装》，第10(101)期第12页。

7.Margulis М.А.《声化学的基本原理》。《声场的化学反应》М：Vyshaya Shkola，1984年。

8.Hmelev V.N.和PopovaО.V.多功能超声装置及其在小批生产、农业、家庭条件下的实施；科学专著，Alt.Gos.Tekh.Un-t im。I.I.Polzunov.-Barnaul：Izd-vo Al tGTU.

9.Koshlyakov N.S.、Gliner E.B.和SmirnovМ.М.《数学物理中的偏微分方程》。М.,Izd-vo Vyshaya shkola，1970年。

10.Armanovich I.G.和Levin V.I.《数学物理方程》。第二版，М.,Nauka，1969年。

11.《技术变动》。手册，共6部分，由Chalomey V.N.,М.和Mashinos troenie编辑，1979年。

Claims (1)

1.一种液体介质超声空化处理方法，包括超声空化的逐步效应，通过双共振效应和机械振动系统-横截面为矩形、膜交替形成的槽内部产生驻波，其特征在于，在两个或多个不同频率上产生超声空化模式，从而机械振动系统-横截面为矩形的槽制成串联振膜的形状，振膜具有不同频率的振动基波，与槽同相相对产生振动形成驻波，反过来，形成与槽边界间隙中膜振动频率对应的拟平面驻波，此处，槽间隙h可被四分之一波长除尽，激发使用处理过的液体介质中的频率：

h＝(k/4)*(C/f i),k＝1,2,3,…

其中：

fi–槽膜驻波基波的频率，单位：hz；

C–液体介质中的声速，单位：mps；

h–槽间隙，单位：m；

槽边缘的振幅要调节至最适于液体介质的不同处理阶段并超过声空化阈值。