超声波油水分离技术原理

超声波在中药提取分离中的应用

摘要：本文对超声在中药提取分离技术中的应用进行了综述; 超声波具有许多独特效应, 如空化效应、机械效应、热效应以及超声空化过程中气泡的剧烈变化，所产生的附加湍动效应、界面效应、聚能效应等，因此能够提高传质系数, 强化分离过程。结合中药提取分离过程的特点, 分析了超声强化各分离过程的作用机制以及影响因素，并对超声中药提取分离设备进行了简单的介绍。 关键词: 超声波；中药提取；超声空化 正文

1 超声波（Ultrasonic wave） 1.1超声波的概念及其特点

声学全部频率为10-4 Hz～1014Hz 。但是频率?只有在20~20kHz范围内的声音才能引起人的听觉。频率?大于2?104Hz的声波，称为超声波。

1.1.1超声波的分类

根据能量水平的不同可以把超声波大致分为低密度超声波和高密度超声波两类[1]。

低密度超声波即低能量水平的超声波，通常能量密度低于1w／cm2，频率介于100-200kHz之间；高密度超声波即高能量水平的超声波，通常能量密度超过1 w／cm2，频率介于18-100kHz之间。 1.1.2超声波的传播形式

超声波和声波一样,是一种机械波, 由介质中的质点受到外力的作用而发生周期性振动

油水分离

一 含油废水中油的存在形式

含油废水的来源很多，但一般都是水包油(O/W)的分散体系。其分散的状态与油、乳化剂、水的性质及其生成条件有关，一般认为主要是以漂浮油、分散油、乳化油、溶解油等4种状态存在。

（1）漂浮油

进入水体的油通常大部分以飘浮油形式存在，这种油的粒径较大，一般大于100微米，占含油量的70%~80%，静置后能较快上浮，铺展在污水表面形成油膜或油层连续相，用一般重力分离设备即能去除。

（2）分散油

分散油以小油滴形状悬浮分散在污水中，油滴粒径在25~100微米之间。当油表面存在电荷或受到机械外力时，油滴较为稳定，反之分散相的油滴则不稳定，静置一段时间后就会聚并成较大的油珠上浮到水面，这一状态的油也较易除去。

（3）乳化油

由于表面活性剂的存在，使得原本是非极性憎水型的油滴变成了带负电荷的胶核。由于极性的影响和表面能的作用，带负电荷油滴胶核吸附水中带正电荷离子或极性水分子形成胶体双电层结构。这些油珠外面包有弹性的、有一定厚的双电层，与彼此所带的同性电荷相互排斥，阻止了油滴间相互碰撞并大，使油滴能长期稳定地存在于水中，油滴粒径在0.1~25微米之间，在水中呈乳浊状或乳化状。

（4）溶解油

粒径在几个纳米以下的超细油滴，

超声波测距原理:

超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m·s－1

超声波清洗的原理

由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械震动而传播到介质--清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡。这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区迅速闭合。在这种被称之为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成超过1000个大气压的瞬间高压，连续不断地产生瞬间高压就象一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，使物件的表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到物件表面净化的目的。相比其它多种的清洗方式，超声波清洗机显示出了巨大的优越性。尤其在专业化，集团化的生产企业中，已逐渐用超声波清洗机取代了传统浸洗、刷洗、压力冲洗、气相清洗和蒸气冲洗等工艺方法。超声波清洗机的高效率和高清洁度，得益于其声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击波。所以很容易将带有复杂外形、内腔和细空的零部件清洗干净，对一般的除油、防锈、磷化等工艺过程，在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比传统方法可提高几倍到几十倍，清洁度也能达到高标准。这在许多对产品表面质量和生产率要求较高的场合，用其它处理方法难以达到目的，更突出地显示了超声清洗、超声处理的优越性和其不可取代的地位。

超声波清洗的作用机理主要有以

超声波原理图

超声波发射电路图

超声波电路主要是由反相器74LS04和超声波发射换能器T1构成的，使用CPU内部的PWM定时计数器输出的40KHZ方波信号。一路经一级反相器（U1C与U1E并联组成一级）后送到超声波换能器的一个电极（T1的1脚）；另一路经两级反相器（U1D为第一级，U1B和U1A组成第二级）后送到超声波换能器的另一个电极（T1的2脚）。用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反相器并联，以提高驱动能力。上位电阻R1,R2一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果。

超声波接收电路图

超声波原理图

超声波接收电路原理图如图所示，CX20106A是一款红外检测波接收 的专业芯片，常用于电视机红外遥控接收器。其优点是简单易用，电路连接简单，且减小了生产调试的麻烦。当CX20106A接收到40KHZ的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接收到ARM的外部中断引脚作为中断信号输出。

超声波的频率就是声源振动的频率。所谓振动频率，就是每秒来回往复运动的次数，单位是赫兹，简称赫。波是振动的传播，即把振动按原有的频率传递出去。所以波的频率就是声源振动的频率。波可以分为三种，即次声波、声波、超声波。次声波的频率为20Hz以下；声波的频率为20Hz~20kHz；超声波的频率则为20kHz以上。其中的次声波和超声波一般人耳是听不到的。超声波由于频率高、波长短，因而传播的方向性好、穿透能

◆超声波常识：

超声波的频率就是声源振动的频率。所谓振动频率，就是每秒来回往复运动的次数，单位是赫兹，简称赫。波是振动的传播，即把振动按原有的频率传递出去。所以波的频率就是声源振动的频率。波可以分为三种，即次声波、声波、超声波。次声波的频率为20Hz以下；声波的频率为20Hz~20kHz；超声波的频率则为20kHz以上。其中的次声波和超声波一般人耳是听不到的。超声波由于频率高、波长短，因而传播的方向性好、穿透能力强，这也就是为什么设计制作超声波清洗机的原因。

◆基本原理：

超声波清洗机之所以能够起到清洗污垢的作用，其过程是由下列引起的：空化、声流、声的辐射压力和声学毛细效应。

在清洗过程中，不洁物的表面会产生表面污垢膜的破坏、剥落、分离以及乳化、溶解等现象。不

第27卷第1期

2007年2月

山　西　化　工

SHANXICHEMICALINDUSTRY

Vol.27　No.1

Feb.2007

　综述与论坛

超声波技术应用现状

席细平,　马重芳,　王　伟

(北京工业大学环境与能源工程学院“,传热强化与过程节能”教育部重点实验室,北京　100022)

摘要:阐述了超声波的特性和基本原理,探讨了目前超声波在废水处理、医疗、防除结垢、制备等方面的应用现状,关键词:超声波;空化作用;纳米粉体;应用

中图分类号:TB559　　文献标识码:A　　()2引　言

106,

波速一般为s,0.01cm～10cm。超,说明超声波本身不能直接对分子起作用,而是通过周围环境的物理作用影响分子,所以超声波的作用与其作用的环境密切相关。超声波既是一种波动形式,又是一种能量形式,在传播过程中与媒介相互作用产生超声效应。超声波与媒介相互作用可分为机械作用、空化作用和热作用。

随着科学技术的发展,相关技术领域相互渗透,使超声波技术广泛应用于工业、化工、医学、石油化工等许多领域。超声波作为一种特殊的能量输入方式,所具有的高效能在材料化学中起到光、电、热方法所无法达到的作用[1]。仅从超声波在液体中释放的巨大能量来说就是其他方法所望尘莫及的,更不用说超声波定量控制

东莞协和超声波焊接机原理

Ⅰ、超声波塑料焊接机基本信息

东莞协和超声波塑料焊接机（Ultrasonic plastic welding machine）就是使用超声波熔接技术，对各种热塑性胶件进行焊接处理加工的焊接机器。

在焊接塑料制品时，既不要添加任何粘接剂、填料或溶剂，也不消耗大量热源，具有操作简便、焊接速度快、焊接强度高、生产效率高等优点。因此，超声波焊接技术越来越广泛地获得应用。

东莞协和超声波塑料焊接机类型有：超声波塑焊机、超声波塑料点焊机、塑料玩具焊接机、PP塑料焊接机、ABS塑料焊接机、塑料瓶盖焊接机、电脑键盘焊接机、中空板焊接机、电源适配器焊接机等。

Ⅱ、超声波塑料焊接机工作原理

当超声波作用于热塑性的塑料件接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所

东莞协和超声波焊接机原理

Ⅰ、超声波塑料焊接机基本信息

东莞协和超声波塑料焊接机（Ultrasonic plastic welding machine）就是使用超声波熔接技术，对各种热塑性胶件进行焊接处理加工的焊接机器。

在焊接塑料制品时，既不要添加任何粘接剂、填料或溶剂，也不消耗大量热源，具有操作简便、焊接速度快、焊接强度高、生产效率高等优点。因此，超声波焊接技术越来越广泛地获得应用。

东莞协和超声波塑料焊接机类型有：超声波塑焊机、超声波塑料点焊机、塑料玩具焊接机、PP塑料焊接机、ABS塑料焊接机、塑料瓶盖焊接机、电脑键盘焊接机、中空板焊接机、电源适配器焊接机等。

Ⅱ、超声波塑料焊接机工作原理

当超声波作用于热塑性的塑料件接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所

2超声波及超声检测原理 2. 1超声波的基本性质

通常人耳能听到声音的频率范围在20}20KHz之间，把超过20KHz的声波称为超声波。超声波在本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖两个条件，一是有机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。

波的种类是根据介质质点的震动方向和波动传播方向的关系来区分的。超声波在介质中传播的波形有许多种，有纵波、横波、表面波等。

2.1.1超声场的特征量

充满超声波的空间叫做超声场。声压、声强度、声阻抗是描述超声场特征的几个重要物理量。

a.声压

超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时的静态压强之差被称为声压，常用P表示，单位为帕。超声波在介质中传播时，介质中每一点的声压随着时间t、距离x而变化，其公式为:

xp??Awpsinw(t?)?pcvc

式中P为介质的密度、必为介质的角频率C为超声波在介质中的波速，

v为介质质点的振动速度。可见声压的绝对值与波速以及角频率成正比。

b.声强度

在垂直于超声波方向上的单位面积内通过的声能量被称为声强度，也 称声强。

式中A为超声波的振幅。从公式可见声强与质点振动的位移振幅的平方成正比，与质点振动的角