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消光法乳剂颗粒粒径测量中浓度影响分析
发布时间:2015-01-08 点击次数:1642次

摘要:为了研究消光法颗粒粒径测量过程中浓度对测量结果的影响,
根据Lambea-Beer定律,对不同浓度下的乳剂采用多波长消光法进行
测量分析,同时采用蒙特卡罗法进行数值模拟分析。实验和数值结果均
表明:浓度对消光海测试结果的影响效果存在一个临界浓度范围。对于
脂肪乳荆,该临界浓度出现在质量分数1.8‰左右;对于橄榄油乳剂,临
界浓度则出现在0.5‰一O.‰之间。超过该范围后。测量的粒径将受浓
度变化剧烈影响。
关键词:消光法;粒往测量;浓度
中图分类号:TN249 文献标志码:A
文章编号:1008—5548(2010)02-0000-00
I nfluence of Emulsion Concentration on
Particle Sizing by Using Light Extinction
Method
Lone Minghui,Su Mingxu,Cai Xiaoshu
(Institute for Particle and Two-phase Fluid Measurement。Universi哆of
Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)
Abstract:In order to investigate the influence of emulsion concentration
on particle sizing,and basedon Lambert-Beer law,a series ofexperiments
on emulsion particle sizing at different concentrations were carried out by
using multi-spectral light extinction method。Numerical simulations based
011 Monte Carlo method Were performed to discuss the possible multiple
scattering effects on particle sizing at higher concentration.Both results in·
dicat?-.xt tIlat a critical concentration WaS found.which appeared in around
1.8‰forthefatemulsionandbetween0.5‰t00.研如fortheoliveoilemul—
sim,Over the critical concentration,the acemaey ofparticle size measurement
couldbe dramaticlly affected by variation ofparticle concentration.
Key words:light extinction method;particle sizing;concentration
在食品、涂料、医药、石化及化妆品等许多行业
中,颗粒粒径的大小对产品的质量和性能起着极为关
键的作用。在一些工业产品制备中,呈乳浊液或悬浊
收稿日期:2009-11-27。
基金项目:国家自然科学基金项目;编号:50706029,50836003;上海市
科委纳米计划项目;编号:0852nm06700。
*作者简介:龙明晖(1985一),男,硕士,从事消光法颗粒测试技术的
研究。E—mail:Iongminghuil 10@163.tom。
通信作者:苏明旭(1973一),男,副研究员,研究方向为颗粒两相流测量
理论。E—mail:sumingxu2002@yahoo.eoln。
V01.16 No.2
Apr.2010
液状态的颗粒系尺寸分布需要进行实时快速检测。
消光法作为一种较好的应用的颗粒粒径表征方
法,因具有装置简洁、快速、可同时对粒径和浓度进行
测量等优点而得到关注‘煳。在测量过程中,如果浓度
过高,对应的光学厚度增加,会由于光复散射等原因
导致测量结果的偏差。尽管目前已经有一些初步的应
用条件已提出Ill,但是就浓度对消光法测量颗粒粒径
的具体影响目前还少有系统的研究。为此,本文中将
以乳剂为例对此问题进行研究。
1 消光法测量原理
消光法是通过测量光通过颗粒离散介质后的消
光谱,并由谱信息反演得到颗粒分布,其理论核心是
Lambert—Beer定律理论【2、4^71。如图l,当一束强度为
,0的单色平行光通过一含有均匀悬浮颗粒的介质时,
由于颗粒对入射光的散射及吸收作用,出射光强,会
一定程度的衰减,出射光强与入射光强的关系为:
l=loexp(-rL)。(1)
式(1)即的Lambert—Beer定律,它描述了光
在颗粒介质中的衰减规律。式中,r为浊度(即是单位
体积内颗粒的总消光截面);L为颗粒介质的厚度。
对于多分散状态的颗粒系,经推导(参见文献
【l】),zui终得到:
一r b
ln(1/lo)=一-7-L N(D)D2K。dD, (2)
咔J D
式中,口和b分别是颗粒尺寸分布的下限和上限;K。
称为消光系数;N(D)是以颗粒数计的尺寸分布函数
或频度函数。由式(2)可知,入射光的衰减,/,0中包含
Jo
·-—-——◆
J
———————●
图1消光法测量原理
Fig.1 Theory of light extinction method
万方数据
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第2期龙明晖,等: 消光法乳剂颗粒粒径测量中浓度影响分析·73·
有颗粒尺寸和浓度(颗粒数)的信息,从而为它们的测
量提供了一个尺度。为此,消光法可以归结为:测得入
射光和透射光的强度,o和,或其比值眦,知道入射
光波长A,光程£和被测颗粒折射率m后,就可得到
颗粒的尺寸分布函数J7、,(D)。
该模型的一个重要前提就是光的单散射条件,而
在颗粒浓度较大时,会不可避免的遇到光复散射情
况:部分颗粒并不暴露在原始入射光线中,它们对其
它颗粒的散射光再次进行散射[31。因此,有必要研究颗
粒浓度对消光法颗粒粒径测量的影响。
2 实验研究
为研究颗粒浓度对消光法颗粒粒径测量的影响,
本文中对脂肪乳剂、橄榄油乳剂以及标称尺寸为
(350±60)nm的标准颗粒在不同浓度下进行了测量。
图2为测量装置框图。其中光源采用某型卤素灯,被
测颗粒置于1 cmxl cmx4.5 cm大小的立方体玻璃样品
池中,采用美国Ocean Optics公司生产的HR--4000型
光纤光谱仪作为接收器。该光谱仪中内置了分光系统
和光电传感器,具有从200一l 100 am的波长响应范
围。信号处理和数据分析则采用该公司配套软件和自
行编制的LabVIEW处理程序来实验。臣叵h[蔓匦)
I竺竺塾J..H堕兰竺墨墨竺fH垄皇堡竺兰f
圈2测量系统框图
Fig.2 Diagram of measurement system
利用该装置对350 am的标准颗粒进行测试,得
到如图3的粒径频度分布曲线,其中索太尔平均直径
Dr2=343.6 am,在标称范围内。
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
粒径D32/斗m
图3 350咖的标准颗粒测量的粒径分布
Fig一3 Particle size distribution of standard particles
(nominal size:350衄)
用相同装置对某种脂肪乳剂进行测量,得到如图
4所示不同配置浓度(质量分数)下的透射光光谱信
号,图中的背景信号指清水信号。
图4脂肪乳的光谱信号
Fig.4 Spectrum signal of fat emulsion
由图4可知,随着被测颗粒浓度的增加,对光的
散射作用增强,对应的透射光光谱信号出现明显衰
减,zui后趋于对光谱信号进行处理,得到图5所示波
长为600 nIn时脂肪乳剂中浊度下随浓度变化曲线。
可以看到r值在质量浓度1.8%o之前呈近似线性增
长,但当浓度达到2%o后,丁值增长趋势明显变缓。
质量分数,‰
图5不同浓度脂肪乳剂的浊厦
Fig.5 Turbidity of fat emulsion at different concentrations
图6为所测得橄榄油乳剂的浊度丁,可以看到
类似的变化趋势,其变化大约发生在浓度0.5‰一
0.6%o之间。由于浊度r是由光的散射和吸收而导致
的,光强随浓度增加迅速衰减到一定的值后,衰减
趋势减缓,直至光无法透过介质,因此浊度r增长
亦趋于水平。
采用zui优正则化方法(optimum regularization
technique,ORT)对测得的消光光谱信号进行处理同,
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0


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