CN116124651B - 一种微纳级尺度盐雾气溶胶粒径分布测量方法及调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳级尺度盐雾气溶胶粒径分布测量方法及调控系统，所述测量方法包括以下步骤：S1、开启盐雾试验设备；S2、使用洁净的载玻片收集微纳级尺度盐雾气溶胶液滴；S3、对沉降在载玻片上的微纳级尺度盐雾气溶胶液滴放大倍数拍照，获得沉降液滴分布图片若干张；S4、对每张图片上的沉降液滴进行数量与直径统计，分析沉降液滴投影直径分布，即得微纳级尺度盐雾气溶胶粒径分布情况。本发明方法简单易行，可实现低成本测量得到盐雾气溶胶液滴在非饱和湿度下的粒径分布情况，解决了目前试验箱内部盐雾气溶胶粒径分布难测的问题。

Description

一种微纳级尺度盐雾气溶胶粒径分布测量方法及调控系统

技术领域

本发明涉及金属腐蚀模拟试验，尤其涉及一种微纳级尺度盐雾气溶胶粒径分布测量方法，还涉及一种微纳级尺度盐雾气溶胶调控系统。

背景技术

人工模拟金属材料在湿热海洋大气环境下的腐蚀现象时，传统盐雾试验是常用的评价方法之一。现有的盐雾试验设备生成盐雾主要采用气压喷射法，其缺陷是：

⑴存在盐雾沉降率分布不均匀、盐雾液滴粒径以及分布难控制等问题，使得试验箱内不同位置试验结果存在较大差异性，试验结果重现性较差。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种简单易行、成本低、测量准确的微纳级尺度盐雾气溶胶粒径分布测量方法。

本发明的第一个目的通过以下的技术措施来实现：一种微纳级尺度盐雾气溶胶粒径分布测量方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、开启盐雾试验设备；

S2、使用洁净的载玻片收集微纳级尺度盐雾气溶胶液滴；

S3、对沉降在载玻片上的微纳级尺度盐雾气溶胶液滴放大倍数拍照，获得沉降液滴分布图片若干张；

S4、对每张图片上的沉降液滴进行数量与直径统计，分析沉降液滴投影直径分布，即得微纳级尺度盐雾气溶胶粒径分布情况。

本发明方法简单易行，可实现低成本测量得到盐雾气溶胶液滴在非饱和湿度下的粒径分布情况，解决了目前试验箱内部盐雾气溶胶粒径分布难测的问题。

本发明在所述步骤S4中，使用imageJ图像处理软件进行数量与直径统计，液滴投影形状为圆形，直径为d_i，i为第i个盐雾液滴，n为图片总液滴数量，1≤i≤n；所述步骤S4具体包括：

⑴使用氯化钠溶液，该氯化钠溶液与生成微纳级尺度盐雾气溶胶的氯化钠溶液的质量分数相同，测量该氯化钠溶液的液滴在洁净载玻片上形成小半球面时的液滴接触角θ，且该洁净载玻片与步骤S2中洁净载玻片为同一种；

⑵根据液滴接触角θ计算步骤S4统计所得液滴的体积，通过以下公式，计算盐雾液滴i在载玻片上形成的小半球面的高度h_i与补全小半球面形成的球体半径R_i：

式中，小半球面在载玻片上的圆形投影半径为r_i，

⑶通过以下公式，计算小半球面体积V_i：

⑷计算沉降前空气中悬浮的盐雾气溶胶液滴粒径Di：

式中，n至少不小于200。

本发明的第二个目的在于提供一种微纳级尺度盐雾气溶胶调控系统。

本发明的第二个目的通过以下的技术措施来实现：一种微纳级尺度盐雾气溶胶调控系统，其特征在于，它包括内有氯化钠溶液的水箱、用于将氯化钠溶液雾化成微纳级尺度盐雾气溶胶的超声雾化器和用于对盐雾气溶胶进行温湿度调节的温湿箱，所述水箱具有雾化出口，所述温湿箱具有雾化进口，所述水箱的雾化出口和温湿箱的雾化进口连接，所述超声雾化器置于所述水箱中，所述超声雾化器的雾化出口连接所述水箱的雾化出口。

本发明使用超声雾化器通过高频振动的方法将水箱中氯化钠溶液打散为微纳级的小液滴进而形成盐雾气溶胶，该方法的特点是生成盐雾气溶胶相对湿度比较高，一般处于饱和状态，积聚在水箱上方的盐雾气溶胶因气压差的存在不断地通过雾化出口输送到温湿箱内，其间，通过控制超声雾化器振荡频率、环境温湿度和氯化钠溶液质量分数等，可以在微纳级范围内进一步调控盐雾气溶胶的粒径，使其具有较窄的微纳级粒径尺度分布范围的特点，能够提高盐雾试验中盐雾气溶胶的质量，相比于传统盐雾试验所采用的气压喷射方式，可以更真实地模拟出热带海洋大气环境中海盐气溶胶分布的特征，解决了现有的盐雾试验湿度饱和、粒径大、分布宽的难题，提高现有盐雾试验结果的稳定性以及与自然腐蚀现象的相关性。

本发明所述超声雾化器的震荡频率大于或等于1.7MHz；所述温湿箱内温度和水箱中氯化钠溶液温度相同；所述温湿箱内相对湿度是76%~100%。超声雾化器荡频率、氯化钠溶液的质量分数和温度等均会影响到振荡空化作用下生成的微纳级尺度液滴的粒径。因此对于微纳级的盐雾液滴，本发明超声雾化器震荡频率需至少等于1.7MHz，在水箱中雾化一定质量分数的氯化钠溶液，将雾化产生的盐雾气溶胶通入温湿箱内，整个过程中假设温度不变，调整相对湿度76%~100%，相对湿度的改变会影响盐雾液滴吸湿状态，进而影响液滴粒径。

本发明在室温20^oC下，水箱内氯化钠溶液的密度与质量分数的关系满足以下公式：

式中：m为质量分数，kg/kg。

本发明在室温20^oC下，水箱内氯化钠溶液的表面张力与质量分数的关系满足以下公式：

式中：m为质量分数，kg/kg。

本发明在室温20^oC下，超声雾化器雾化水箱中的氯化钠溶液生成的盐雾气溶胶处于湿度饱和状态，盐雾气溶胶液滴的平均粒径A₁满足以下公式：

式中，为NaCl溶液的表面张力，N/m；/>为氯化钠溶液的密度，kg/m³；f为超声雾化器的振动频率，Hz。

环境相对湿度会显著的影响盐雾气溶胶液滴的粒径大小，本发明基于Lewis&Schwartz模型，在室温20^oC下，在氯化钠饱和/潮解相对湿度内，盐雾气溶胶液滴粒径A₂与相对湿度的关系满足以下公式：

式中，A2为非饱和湿度下的盐雾气溶胶液滴平均粒径，单位um，其中；

当RH<76时，A₃为干盐颗粒粒径，满足以下公式：

与现有技术相比，本发明具有以下显著的优点：

⑴本发明方法简单易行，能够测量本系统调控生成的盐雾液滴粒径分布情况，克服了其他传统测量方法，如激光散射粒子计数器等相关仪器因存在计数上限导致无法测量的问题，同时成本较低廉，无需购置相应测量仪器，只需常用的光学显微镜获取液滴沉降图片，利用开源软件、几何建模即可对液滴粒径进行统计分析。

⑵本发明通过高频振动的方法将水箱中氯化钠溶液打散为微纳级的小液滴进而形成盐雾气溶胶，并通过控制超声雾化器振荡频率、环境温湿度和氯化钠溶液质量分数等，可以在微纳级范围内进一步调控盐雾气溶胶的粒径，使其具有较窄的微纳级粒径尺度分布范围的特点，能够提高盐雾试验中盐雾气溶胶的质量，可以更真实地模拟出热带海洋大气环境中海盐气溶胶分布的特征，解决了现有的盐雾试验湿度饱和、粒径大、分布宽的难题，提高现有盐雾试验结果的稳定性以及与自然腐蚀现象的相关性。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图１是本发明在饱和湿度下超声雾化器振荡频率与盐雾液滴粒径之间关系的图表；

图2是本发明在室温20^oC下超声雾化盐雾气溶胶粒径与环境相对湿度之间关系的图表；

图3是本发明盐雾气溶胶粒径分布统计图。

实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明进行详细说明，以帮助本领域的技术人员更好的理解本发明的发明构思，但本发明权利要求的保护范围不限于下述实施例，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明之发明构思的前提下，没有做出创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明一种微纳级尺度盐雾气溶胶调控系统，它包括内有氯化钠溶液的水箱、用于将氯化钠溶液雾化成微纳级尺度盐雾气溶胶的超声雾化器和用于对盐雾气溶胶进行温湿度调节的温湿箱，水箱具有雾化出口，温湿箱具有雾化进口，水箱的雾化出口和温湿箱的雾化进口连接，超声雾化器置于水箱中，超声雾化器的雾化出口连接水箱的雾化出口。其中，超声雾化器通过高频振动的方法将水箱中氯化钠溶液打散为微纳级的小液滴进而形成盐雾气溶胶，该方法的特点是生成盐雾气溶胶相对湿度比较高，一般处于饱和状态，积聚在水箱上方的盐雾气溶胶因气压差的存在不断地通过管路输送到温湿箱内。

超声雾化器震荡频率、氯化钠溶液的质量分数以及温湿度等均会影响振荡空化作用下生成的微纳级尺度液滴的粒径。因此对于微纳级的盐雾液滴，超声雾化器震荡频率需大于或等于1.7MHz，在水箱中雾化5%质量分数的氯化钠溶液，将雾化产生的盐雾气溶胶通入温湿箱内，整个过程中假设温度不变，调整相对湿度到85%，相对湿度的改变会影响盐雾液滴吸湿状态，进而影响液滴粒径。

超声雾化器雾化水箱中一定质量分数的氯化钠溶液，在室温20℃下，超声雾化器雾化水箱中的氯化钠溶液生成的盐雾气溶胶处于湿度饱和状态，盐雾气溶胶液滴的平均粒径A₁满足以下公式：

式中，为NaCl溶液的表面张力，N/m；/>为氯化钠溶液的密度，kg/m³；f为超声雾化器的振动频率，Hz。

在室温20℃下，水箱内氯化钠溶液的表面张力与质量分数的关系满足以下公式：

在室温20℃下，水箱内氯化钠溶液的密度与质量分数的关系满足以下公式：

当氯化钠溶液质量分数为5%时，计算可得γ为0.0724N/m，密度为1034 kg/m³，饱和湿度下，当超声雾化器频率为1.7MHz，可计算A1为2.68um。当使用更高振荡频率的超声震荡器时，其产生盐雾气溶胶液滴粒径将更小，结果如图1所示。

基于Lewis&Schwartz模型，在室温下，氯化钠饱和/潮解相对湿度内，盐雾液滴粒径A₂与相对湿度RH的关系满足以下公式：

式中，A2为非饱和湿度下的盐雾气溶胶液滴平均粒径，单位um，其中；

当RH<76时，A₃为干盐颗粒粒径，满足以下公式：

当相对湿度变化为85%时，计算可得此盐雾气溶胶调控系统产生的盐雾液滴粒径A2为1.64um。当相对湿度在[50，100)时，其产生盐雾气溶胶液滴粒径的变化如图2所示。

一种微纳级尺度盐雾气溶胶粒径分布测量方法，包括以下步骤：

S1、开启微纳级尺度盐雾气溶胶调控系统，使其稳定运行；

S2、将洁净的载玻片放置于温湿箱内，收集微纳级尺度盐雾气溶胶液滴；

S3、收集5分钟后取出载玻片，用光学显微镜以合适倍率进行拍照，过程中维持高湿环境，取得载玻片上的沉降液滴分布图片4张；

S4、对每张图片内所示沉降液滴用imageJ进行数量与直径统计，分析液滴投影直径分布，此处默认液滴投影形状为圆形，直径为d_i，i为第i个盐雾液滴，n为图片总液滴数量，1≤i≤n。

具体包括：

⑴使用与水箱中相同质量分数的氯化钠溶液，测量该氯化钠溶液的液滴在洁净载玻片上形成小半球面时的液滴接触角θ，该洁净载玻片与步骤S2中洁净载玻片为同一种；

⑵根据液滴接触角θ计算步骤S4统计所得液滴的体积，通过以下公式，计算盐雾液滴i在载玻片上形成的小半球面的高度hi与补全小半球面形成的球体半径Ri：

式中，小半球面在载玻片上的圆形投影半径为r_i，

应用ImageJ图像处理软件统计载玻片上沉降液滴的数量与粒径分布，得知某液滴di在载玻片上形成小半球体垂直投影直径为2um，同时利用接触角测量仪测得2ul液滴在载玻片上的接触角为60°，则该沉降液滴投影半径ri为1um，球体半径Ri为1.15um，最高厚度hi为0.58um。

⑶通过以下公式，计算小半球面体积V_i：

⑷在温湿度恒定的环境下，基于盐溶液液滴沉降前后总体积不变的原则，计算沉降前空气中悬浮的盐雾气溶胶液滴粒径Di：

应用已知参数与公式，可得小半球面体积Vi为1.013 um³，盐雾气溶胶液滴粒径Di为1.25um。

⑸利用统计数据工具对盐雾气溶胶液滴粒径Di分布进行数据表征，从而可知在此温湿度状态下，由盐雾气溶胶调控系统生成的微纳级尺度盐雾气溶胶液滴在非饱和湿度下的粒径分布情况，计算微纳级尺度盐雾气溶胶平均粒径

式中，n至少不小于200。

当获取足够多盐雾液滴粒径Di时，利用统计工具对其进行数据表征，具体如图3所示。计算得到平均粒径D ̅为1.82um，与调控生成的盐雾气溶胶粒径1.64um较接近。

Claims (1)

1.一种微纳级尺度盐雾气溶胶粒径分布测量方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、开启盐雾试验设备，盐雾试验设备采用可在微纳级范围内调控盐雾气溶胶粒径的微纳级尺度盐雾气溶胶调控系统，所述微纳级尺度盐雾气溶胶调控系统包括内有氯化钠溶液的水箱、用于将氯化钠溶液雾化成微纳级尺度盐雾气溶胶的超声雾化器和用于对盐雾气溶胶进行温湿度调节的温湿箱，所述水箱具有雾化出口，所述温湿箱具有雾化进口，所述水箱的雾化出口和温湿箱的雾化进口连接，所述超声雾化器置于所述水箱中，所述超声雾化器的雾化出口连接所述水箱的雾化出口；

在室温20℃下，超声雾化器雾化水箱中的氯化钠溶液生成的盐雾气溶胶处于湿度饱和状态时，盐雾气溶胶液滴的平均粒径A₁满足以下公式：

式中，γ为NaCl溶液的表面张力，N/m；ρ为氯化钠溶液的密度，kg/m³；f为超声雾化器的振动频率，Hz；

在室温20℃下，氯化钠饱和/潮解相对湿度内，盐雾气溶胶液滴粒径A₂与相对湿度RH的关系满足以下公式：

式中，m是质量分数，单位kg/kg；A2为非饱和湿度下的盐雾气溶胶液滴平均粒径，单位μm，其中RH∈[76,100)；

当RH<76时，A₃为干盐颗粒粒径，满足以下公式：

S2、使用洁净的载玻片收集微纳级尺度盐雾气溶胶液滴；

S3、对沉降载玻片上的微纳级尺度盐雾气溶胶液滴放大倍数拍照，获得沉降液滴分布图片若干张；

S4、对每张图片上的沉降液滴进行数量与直径统计，分析沉降液滴投影直径分布，即得微纳级尺度盐雾气溶胶粒径分布情况；

使用imageJ进行数量与直径统计，液滴投影形状为圆形，直径为d_i，i为第i个盐雾液滴，n为图片总液滴数量，1≤i≤n；所述步骤S4具体包括：

⑴使用氯化钠溶液，该氯化钠溶液与生成微纳级尺度盐雾气溶胶的氯化钠溶液的质量分数相同，测量该氯化钠溶液的液滴在洁净载玻片上形成小半球面时的液滴接触角θ，该洁净载玻片与步骤S2中洁净载玻片为同一种；

⑵根据液滴接触角θ计算步骤S4统计所得液滴的体积，通过以下公式，计算第i个盐雾液滴在载玻片上形成的小半球面的高度h_i与补全小半球面形成的球体半径R_i：

h_i＝R_i-R_i·cosθ 公式⑶

式中，小半球面在载玻片上的圆形投影半径为r_i，

⑶通过以下公式，计算小半球面体积V_i：

⑷计算沉降前空气中悬浮的盐雾气溶胶液滴粒径Di：

⑸计算微纳级尺度盐雾气溶胶平均粒径

式中，n不小于200。