用液芯柱透镜测量液相扩散系数的研究

发布时间：2017-12-23 22:34

本文关键词：用液芯柱透镜测量液相扩散系数的研究　出处：《云南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：液相扩散系数是研究传质过程,计算传质速率及化工设计与开发的重要基础数据,它的精确测量对于物理、化学、生物等科学领域均具有重要的意义。液芯柱透镜对液体折射率具有空间分辨特性,可用以观察扩散过程,测量液相扩散系数。液体折射率的精确测量是将液芯柱透镜应用于液相扩散系数测量的前提条件,因此,合理设计液芯柱透镜的参数,提高其测量液体折射率的精度,对于测量液相扩散系数尤为重要。本博士论文利用自主设计的非对称液芯柱透镜,提出了测量液相扩散系数的几种新方法,对液相扩散系数的测量展开了研究。论文的主要研究内容和结果如下：1、分析了用液芯柱透镜测量液体折射率的主要参数,包括景深、折射率测量灵敏度、折射率最小分辨测量能力以及像差。详细介绍了电子目镜显微镜的景深公式推导过程,提出物理景深与几何景深在数学上满足“相或”而非“求和”关系的观点,并利用毛细管成像系统验证了电子观测系统的总景深为几何景深与物理景深中较大值这一论点的正确性。利用光线追迹法详细推导了包括四个折射曲面的液芯柱透镜的球差公式,为后续透镜的设计提供了理论依据。2、推导出了玻璃毛细管、对称柱透镜、非对称柱透镜的焦距公式,比较了三者用于测量液体折射率的优缺点。利用毛细管测量折射率的液体用量可低至5μL但是测量精度有限,对折射率的最小分辨测量能力在0.001RIU左右。对称液芯柱透镜的折射率最小分辨测量能力接近0.0002RIU,相较于毛细管有所提高,但是球差很大,在300gm左右,降低了成像质量。非对称液芯柱透镜将对称液芯柱透镜的第四曲面的曲率半径增大,这一微小的改变使其对液体折射率的分辨能力优于0.0002RIU,球差低于5μm,大大提高了成像质量,为准确测量液相扩散系数奠定了基础。3、提出了一种测量液相扩散系数的新方法：瞬态图像分析法。该方法以非对称液芯柱透镜作为扩散池及主要成像元件,通过测量和分析一幅任意时刻的瞬态扩散图像,得到扩散体系的折射率及浓度的空间分布,基于Fick第二定律快速获得扩散系数值。该方法将测量液相扩散系数的耗时,从传统测量方法的5000-20000s大幅度地降低到10s以内。用瞬态图像分析法和等折射率薄层测量法分别测量了室温下乙二醇在水中的无限稀释扩散系数,测量结果相近并与文献值相符。4、提出了一种利用等折射率薄层法测量不同浓度液相扩散系数的新方法,这种方法不再限定扩散体系中相互接触的两种溶液初始浓度非常接近,只要选取合适的液体薄层,就可以测得相应浓度的液相扩散系数。用乙二醇在其不同浓度的水溶液中的扩散实验验证了这种测量方法。5、用等折射率薄层测量法验证了环境温度、扩散溶质种类以及浓度对扩散快慢的影响,并用视频截图可视化地显示出扩散过程。测量了不同温度下乙二醇在水中的无限稀释扩散系数,结果表明：随着温度的升高扩散系数值增大,测量得到的结果符合阿仑尼乌斯公式。测量了298.15K下,丙三醇、三甘醇在水中的无限稀释扩散系数,结果表明：分子量大的介质的扩散系数小于分子量小的介质的扩散系数。测量了不同浓度乙二醇在水中的扩散系数,结果表明：浓度越高,扩散系数值越小。通过比较几种扩散体系的扩散图像,突出了利用非对称液芯柱透镜测量液相扩散系数可以实现扩散过程可视化的优点。6、基于衍射光学中的柯林斯公式,利用快速傅里叶变换技术实现了对非对称液芯柱透镜中扩散过程的仿真。基于标量衍射理论,利用Matlab首先实现了对夫琅和费小孔衍射及单缝衍射的仿真,仿真结果与实验图像较为接近,验证了标量衍射理论以及程序编写的正确性。在此基础上,对非对称液芯柱透镜中发生的扩散过程进行仿真,并与实验图像进行比较：当选取观察的等折射率液体薄层靠近上方溶液,浓度较小时,仿真得到的结果与实验图像较为相符；当液体薄层靠近两溶液分界面,浓度较大时,仿真得到的结果与实验结果有很大的出入。这一结果对液体薄层的选择对扩散系数计算结果的影响提供了另一个佐证,再次强调了等折射率薄层法中合理选择液体薄层的重要性。
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O436.1;O552.2

【参考文献】