CN220951305U - 一种低聚水簇的制备装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种低聚水簇的制备装置，属于基础化学领域。该装置包括主腔体、超声换能器和电子束发生与扫描单元，超声换能器设在主腔体底部，用于向主腔体内部发射振动波；电子束发生与扫描单元设在主腔体上部，用于通过扫描方式向主腔体内部发射电子束。本实用新型通过超声波对处理水产生震荡扰动和空化效应，将高聚水分子簇打散成低聚水分子簇，同时通过电子束的扫描作用向水反应腔体中注入电子束以保证低聚水分子簇的稳定，避免超声作用产生的低聚水簇回归到氢键结合状态，实现低聚水簇的制备。还通过空化碰撞多孔板设置，更容易实现水分子氢键断裂，进一步提升低聚水簇的制备效率。结构简单，易控制，为水分子簇的研究提供有利支持。
Description
技术领域
本实用新型涉及基础化学领域，特别是涉及一种低聚水簇的制备装置。
背景技术
基于人类对微观分子世界的开发研究不断进步，水分子在常态下的存在结构引起理论物理学家、结构化学家及数学家的注意，低聚水簇(甚至是单分子水)的制备与观测成为研究热点。根据热力学计算，以单分子存在的水其熔点和沸点应是-110℃和-85℃，远小于实际的0℃和100℃，由于水异常的熔沸点等特殊性质，人们推测在自然状态下水并非以单分子存在，而应以分子簇的形式存在。科学家开始了水簇聚合大小的研究，有人采用可变压力蒸汽容器，超声波高速气流喷射进入高真空室而瞬间形成低聚水簇。G.Torch用电子衍射研究n簇，有人用X衍射研究其结构，还有人用高分辨质谱研究n族。J.W.Shin等和Mitsuhiko，Miyazakj两个实验室彼此独立开展n簇(含质子簇)与红外傅立叶、激光拉曼联合散射，得到相同的结果。K.Nauta和R.E.Miller则采用液氦滴自由下落，捕集与冷冻水蒸汽，再用红外观察，T.Mitsui则在高真空中用扫描隧道显微镜(TSM)观察n及n簇结构，这些试验均为半定量式，而且都在水为气态的条件下进行，常温条件下形成液态低聚水簇十分困难，因此直接对液态水的n簇研究进展十分缓慢。
水分子的特殊结构为氧原子和两个氢原子呈三角形，其夹角为105°，氧原子为中心对应于两个氢原子的方向，存在两个带负电的电子云，它吸引相邻水分子的氢核，以氢键结合方式形成环叠式分子团，通常以H2O表示水分子的氢、氧之间以共价健结合，而相邻水分子的氢、氧之间以氢键保持联系。水簇作为大量液态水的简化，可以为液体水性质的研究提供有效的途径。水簇的研究不仅可以了解水的一些不同寻常的行为，还为了探索水分子在生物体内的存在形式与所起到的作用以及设计新颖的功能材料。因此，研究水分子簇对于水本身的性质以及其作为溶剂的性质有着非常重要的意义。
本实用新型就是在此基础上，创设一种低聚水簇的制备装置，使其通过超声波对处理水产生振动和空化效应，将高聚水分子簇打散成低聚水分子簇，同时通过电子束的扫描作用向水反应容器中注入电子束以保证低聚水分子簇的稳定，避免超声作用产生的低聚水分子簇回归到氢键结合状态，实现低聚水分子簇的制备。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种低聚水簇的制备装置，使其通过超声波对处理水产生振动和空化效应，将高聚水分子簇打散成低聚水分子簇，同时通过电子束的扫描作用向水反应容器中注入电子束以保证低聚水分子簇的稳定，避免超声作用产生的低聚水分子簇回归到氢键结合状态，实现低聚水分子簇的制备。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种低聚水簇的制备装置，包括主腔体、超声换能器和电子束发生与扫描单元，所述超声换能器设置在所述主腔体的底部，用于向所述主腔体内部发射振动波；所述电子束发生与扫描单元设置在所述主腔体的上部，用于通过扫描方式向所述主腔体内部发射电子束，则所述主腔体内部的水在所述超声换能器发射的振动波作用下产生空化现象，并形成水的震荡扰动效果，达到水分子之间的氢键解离，使高聚态水分子形成低聚水分子簇，同时在所述电子束发生与扫描单元发射的电子束作用下，保持低聚水分子簇的稳定，制备得到低聚水簇。
进一步改进，所述超声换能器采用3*3超声换能器阵列，所述3*3超声换能器阵列中每个超声换能器均连接超声波发生器，所述超声波发生器所产生的超声频率范围为：8-120MHz，超声功率密度大于0.5W/cm2。
进一步改进，所述3*3超声换能器阵列中中间列的超声换能器的振动平面法线与水平面垂直，两侧列的超声换能器的振动平面法线均向中间倾斜，两侧列的所述超声换能器的振动平面法线与水平面夹角为65°-80°。
进一步改进，所述3*3超声换能器阵列中每个超声换能器同时工作或从一侧向另一侧的依次循环工作。
进一步改进，所述主腔体的底部设置多个所述3*3超声换能器阵列。
进一步改进，所述电子束发生与扫描单元包括阴极灯丝、控制极、阳极和偏转线圈，所述阴极灯丝、控制极和阳极组成电子枪发射电子束，电子束在偏转线圈作用下以扫描方式射至所述主腔体内部，为所述主腔体内部水补充电子；所述电子束发生与扫描单元发射的电子束功率调节范围为1-100W。
进一步改进，还包括与所述电子束发生与扫描单元和超声波发生器连接的超声与电子束扫描协同控制器，用于控制所述电子束发生与扫描单元和超声波发生器的启闭和工作时长，并实现所述电子束发生与扫描单元发射的电子束扫描路径与所述超声换能器产生的振动波相对应。
进一步改进，还包括空化碰撞多孔板，所述空化碰撞多孔板水平设置在所述主腔体内部，其上设有若干个通孔。
进一步改进，所述空化碰撞多孔板中若干个通孔按列均匀排布，且相邻列之间的通孔间隔排布，所述通孔直径为8-28mm，相邻通孔之间的间隙为所述通孔的半径。
进一步改进，所述空化碰撞多孔板采用不锈钢材质，板厚度为5-15mm。
采用这样的设计后，本实用新型至少具有以下优点：
1.本实用新型低聚水簇的制备装置通过超声波对处理水产生震荡扰动和空化效应，将高聚水分子簇打散成低聚水分子簇，甚至为单分子水，同时通过电子束的扫描作用向水反应容器中注入电子束以保证低聚水分子簇的稳定，避免超声作用产生的低聚水分子簇回归到氢键结合状态，实现低聚水分子簇的制备。该装置结构简单，成本低容易实现，制备得到的低聚水簇可用于所有对于水簇研究的领域，为水分子簇的研究提供强有利的支持。
2.通过超声换能器阵列的设置，以及不同超声换能器的依次工作，更容易形成水的震荡扰动效果，与空化效应相结合，容易破坏水分子的氢键聚合；还通过超声与电子束扫描协同控制器控制电子束发生与扫描单元和超声波发生器的启闭和工作时长，并实现电子束发生与扫描单元发射的电子束扫描路径与超声换能器产生的振动波相对应，更利于水分子簇从高聚状态释放为低聚状态，提升低聚水簇的制备效率。
3.还通过空化碰撞多孔板的设置，使被超声换能器扰动的水分子在向上通过多孔板时与多孔板产生撞击，更容易实现水分子氢键断裂，进一步提升低聚水簇的制备效率。
附图说明
上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
图1是本实用新型低聚水簇的制备装置的结构示意图。
图2是本实用新型低聚水簇的制备装置中主腔体的结构示意图。
图3是本实用新型主腔体中超声换能器阵列的分布结构示意图。
图4是本实用新型主腔体中空化碰撞多孔板的通孔分布结构示意图。
图5是本实用新型主腔体中电子束发生与扫描单元的结构示意图。
具体实施方式
参照附图1和2所示，本实施例低聚水簇的制备装置，包括主腔体1、空化碰撞多孔板2、超声换能器3和电子束发生与扫描单元4。
其中，所述主腔体1由食品级不锈钢材料制成，外形结构为矩形槽或圆柱形槽，本实施例采用方形槽结构。
所述空化碰撞多孔板2水平设置在所述主腔体1的内部，其上设有若干个通孔21。所述空化碰撞多孔板2同样采用不锈钢材质制成，板厚度为5-15mm，通孔直径为8-28mm。
所述超声换能器3设置在所述主腔体1的底部，用于向所述主腔体1内部发射振动波。
所述电子束发生与扫描单元4设置在所述主腔体1的上部，用于通过扫描方式向所述主腔体1内部发射电子束。
则所述主腔体1内部的水在所述超声换能器3发射的振动波作用下，形成空洞-空化核，并在所述空化碰撞多孔板2的撞击作用下使高聚态水分子形成低聚水分子簇，同时在所述电子束发生与扫描单元4发射的电子束作用下，保持低聚水分子簇的稳定，制备得到低聚水簇。
具体的，所述超声换能器3采用3*3超声换能器阵列，再参考附图2和3所示。所述3*3超声换能器阵列中每个超声换能器均连接超声波发生器5，所述超声波发生器5所产生的超声频率范围为：8-120MHz，超声功率密度大于0.5W/cm2。
较优实施例为，所述3*3超声换能器阵列中中间列的超声换能器3的振动平面法线N3与水平面垂直，两侧列的超声换能器3的振动平面法线N1、N2均向中间倾斜，即两侧列的超声换能器3发射的振动波以中间换能器轴线构成的平面为对称面成汇聚状态。如两侧列的所述超声换能器3的振动平面法线N1、N2与水平面夹角为65°-80°。
本实施例中所述3*3超声换能器阵列中每个超声换能器3可以同时同步工作，也可以从一侧向另一侧的依次循环工作，如从附图3中左侧一列超声换能器先启动工作，在一定时间后左侧超声换能器停止工作，中间换能器开启，最后再右侧换能器开启，以便形成更好的水的震荡扰动效果，与空化效应相结合，能更好的破坏水分子之间的氢键聚合，更利于低聚水分子簇的形成。
更优实施例为，所述主腔体1的底部还可以根据腔体大小，设置多个所述的3*3超声换能器阵列，如进一步形成3*3阵列分布。
参照附图4所示，本实施例中所述空化碰撞多孔板2中若干个通孔21按列均匀排布，且相邻列之间的通孔间隔排布，这样相邻六个孔圆心位于正六边形的顶点上。所述通孔21的直径均相同，一般设为8-28mm。相邻通孔21之间的间隙为所述通孔21的半径。
再参照附图5所示，本实施例中所述电子束发生与扫描单元4包括阴极灯丝41、控制极42、阳极43和偏转线圈44。所述阴极灯丝41与高压电缆40连接，所述阴极灯丝41、控制极42和阳极43组成电子枪发射电子束45，偏转线圈44由电流控制器控制线圈中的电流，形成偏转磁场，电子束45可在偏转磁场44的作用下射到下面主腔体1水表面的任一位置，则电子束45在偏转线圈44作用下以扫描方式射至所述主腔体1内部，为所述主腔体1内部水补充电子。所述电子束发生与扫描单元4发射的电子束功率调节范围为1-100W，且具有多种扫描轨迹。本实施例中由阴极灯丝41、控制极42和阳极43组成的电子枪发射电子束的工作原理同现有电子枪发射原理，如现有CRT显示器中的电子枪机构。
本实施例低聚水簇的制备装置还包括与所述电子束发生与扫描单元4和超声波发生器5连接的超声与电子束扫描协同控制器6，用于控制所述电子束发生与扫描单元4和超声波发生器6的启闭和工作时长，并实现所述电子束发生与扫描单元4发射的电子束扫描路径与所述超声换能器3产生的振动波相对应。
本实施例低聚水簇的制备装置还包括设置在所述主腔体1上游的水纯化装置10和设置在所述主腔体1下游的低聚水簇收集器20。所述水纯化装置10用于对自来水或其他来源的非纯净水进行纯化处理，以消除其中的微生物菌类、小颗粒杂质以及各种正负离子等，彻底将水纯化。所述低聚水簇收集器20用于收集由所述低聚水簇的制备装置制备得到的低聚水簇，为低聚水簇的后续研究提供有利条件。
采用上述的低聚水簇的制备装置制备低聚水簇时，首先，将自来水或其他来源的非纯净水经过水纯化设备10的纯化处理，消除其中的微生物菌类、小颗粒杂质以及各种正负离子等，彻底将水纯化。
然后，将纯化后水注入主腔体1中，开启所述超声换能器3，所述主腔体1内部的水在所述超声换能器3发射的振动波作用下，产生空化现象，并形成水的震荡扰动效果，并在所述空化碰撞多孔板2的撞击作用下达到水分子之间的氢键解离，使高聚态水分子形成低聚水分子簇，同时开启所述电子束发生与扫描单元4，在所述电子束发生与扫描单元4发射的电子束作用下，为低聚水簇中补充电子云，保持低聚水分子簇的稳定，制备得到稳定的低聚水簇。
对比例
将上述低聚水簇的制备装置中的电子束发生与扫描单元去除，其它条件不变的情况下，同样对自来水进行纯化、超声振动处理，得到对比例水。
结果实施例
将由上述实施例产生的低聚水簇和对比例产生的对比例水，均稳定8小时后，取500ml分别放置在-20℃、-50℃的环境中，观察0.5小时后其结冰情况。结果见表1。
表1实施例和对比例处理后的水在-20℃、-50℃的环境中结冰情况
| 样品 | -20℃ | -50℃ |
| 实施例产生的低聚水簇 | 不结冰，液体状态 | 不结冰，液体状态 |
| 对比例处理后的水 | 结冰，固体状态 | 结冰，固体状态 |
本实用新型低聚水簇的制备装置基于超声振动波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性的原理，使超声振动波在液体中传播的音波压强达到一个大气压时,其功率密度为0.5w/cm2以上时,此时超声波的音波压强峰值可达到真空或负压状态,由于实际上并无负压存在,因此在液体水中产生一个很大的压力,将液体分子拉裂成空洞-空化核。此空洞-空化核非常接近于真空状态,它在超声波压强反向达到最大时破裂,由于破裂而产生强烈的冲击扰动，以打散水分子的氢键聚合，这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。且当超声波的频率达到一定值时，其纵波波长与水分子的直径相当，可以达到一定的震荡扰动效果，与空化效应结合在一起，更好的破坏水分子的氢键聚合。超声换能器阵列的依次开闭，更容易在水中形成一定的循环流，再加上与空化碰撞多孔板的撞击，更有助于水分子不断进行氢键解离。同时电子束发生与扫描单元不断的向水中进行电子束发射扫描，在搅动水的同时向水中补充电子，能破坏氢键再次形成，保持低聚水分子的稳定存在，从而制备出低聚水分子簇。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (9)
1.一种低聚水簇的制备装置，其特征在于，包括主腔体、超声换能器和电子束发生与扫描单元，所述超声换能器设置在所述主腔体的底部，用于向所述主腔体内部发射振动波；所述超声换能器采用3*3超声换能器阵列，所述3*3超声换能器阵列中每个超声换能器均连接超声波发生器；
所述电子束发生与扫描单元设置在所述主腔体的上部，用于通过扫描方式向所述主腔体内部发射电子束；
还包括与所述电子束发生与扫描单元和超声波发生器连接的超声与电子束扫描协同控制器，用于控制所述电子束发生与扫描单元和超声波发生器的启闭和工作时长，并实现所述电子束发生与扫描单元发射的电子束扫描路径与所述超声换能器产生的振动波相对应。
2.根据权利要求1所述的低聚水簇的制备装置，其特征在于，所述超声波发生器所产生的超声频率范围为：8-120MHz，超声功率密度大于0.5W/cm2。
3.根据权利要求2所述的低聚水簇的制备装置，其特征在于，所述3*3超声换能器阵列中中间列的超声换能器的振动平面法线与水平面垂直，两侧列的超声换能器的振动平面法线均向中间倾斜，两侧列的所述超声换能器的振动平面法线与水平面夹角为65°-80°。
4.根据权利要求3所述的低聚水簇的制备装置，其特征在于，所述3*3超声换能器阵列中每个超声换能器同时工作或从一侧向另一侧的依次循环工作。
5.根据权利要求4所述的低聚水簇的制备装置，其特征在于，所述主腔体的底部设置多个所述3*3超声换能器阵列。
6.根据权利要求1所述的低聚水簇的制备装置，其特征在于，所述电子束发生与扫描单元包括阴极灯丝、控制极、阳极和偏转线圈，所述阴极灯丝、控制极和阳极组成电子枪，发射电子束，电子束在偏转线圈作用下以扫描方式射至所述主腔体内部，为所述主腔体内部水补充电子；所述电子束发生与扫描单元发射的电子束功率调节范围为1-100W。
7.根据权利要求1所述的低聚水簇的制备装置，其特征在于，还包括空化碰撞多孔板，所述空化碰撞多孔板水平设置在所述主腔体内部，其上设有若干个通孔。
8.根据权利要求7所述的低聚水簇的制备装置，其特征在于，所述空化碰撞多孔板中若干个通孔按列均匀排布，且相邻列之间的通孔间隔排布，所述通孔直径为8-28mm，相邻通孔之间的间隙为所述通孔的半径。
9.根据权利要求8所述的低聚水簇的制备装置，其特征在于，所述空化碰撞多孔板采用不锈钢材质，板厚度为5-15mm。
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| CN202321968735.4U CN220951305U (zh) | 2023-07-25 | 2023-07-25 | 一种低聚水簇的制备装置 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202321968735.4U Active CN220951305U (zh) | 2023-07-25 | 2023-07-25 | 一种低聚水簇的制备装置 |
Country Status (1)
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2023
- 2023-07-25 CN CN202321968735.4U patent/CN220951305U/zh active Active
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| GR01 | Patent grant | ||
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