CN112345417A - 一种纳米气泡粒径分布计算方法 - Google Patents

一种纳米气泡粒径分布计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112345417A
CN112345417A CN202011144121.5A CN202011144121A CN112345417A CN 112345417 A CN112345417 A CN 112345417A CN 202011144121 A CN202011144121 A CN 202011144121A CN 112345417 A CN112345417 A CN 112345417A
Authority
CN
China
Prior art keywords
particle size
data
distribution
bubble
bubbles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011144121.5A
Other languages
English (en)
Inventor
宋永臣
匡洋民
冯宇
杨磊
赵佳飞
刘延振
孙明瑞
国宪伟
张伦祥
刘卫国
杨明军
王大勇
刘瑜
张毅
凌铮
蒋兰兰
李洋辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202011144121.5A priority Critical patent/CN112345417A/zh
Publication of CN112345417A publication Critical patent/CN112345417A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/18—Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N2015/0277—Average size only
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Probability & Statistics with Applications (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明属于微纳粒径测量技术领域，涉及一种纳米气泡粒径分布计算方法。该方法用于测量含纳米气泡水中的纳米气泡平均粒径大小及其分布规律。其应用NTA捕捉的气泡的布朗运动与扩散系数关系初步获得含所有颗粒粒径的数据源，再对准确的数据进行筛选，结合对数正态分布对数据进行拟合，得到准确的粒径分布规律。该方法更新了颗粒粒径数据处理方法，避免了粒径测量过程中因光源信号值差异过小问题所带来的误差，弥补了单独依靠NTA捕捉布朗运动与扩散系数关系计算粒径大小的准确性的不足，提供了新的准确的粒径测量方法。

Description

一种纳米气泡粒径分布计算方法
技术领域
本发明属于微纳粒径测量技术领域，涉及一种结合纳米颗粒跟踪分析(NTA)与对数正态分布计算纳米气泡粒径分布的方法。
背景技术
近年来，纳米气泡得到了广泛的应用，在水产养殖、环保、农业、工业、卫生、医疗、电解、船舶等领域都可以见到它的身影。由于纳米气泡粒径较小，它可以长时间在水中存活，从而保持水中溶解氧充分；表面带静电的纳米气泡还可以抑制、消除水中的藻类生物，使水域保持较好的水质；含纳米气泡的水灌溉作物，可增加根际土壤微生物的种群与活性，改善土壤理化性质，增强根系吸收水分养分的能力，提高水肥利用效率，明显改善作物品质和产量，进而达到增产节水。而纳米气泡的粒径大小是影响其应用效果的主要因素，因此测得准确的纳米气泡粒径分布是非常必要的。
一般而言，纳米气泡粒径测量技术分为直接法和间接法。直接法可以通过电子显微镜直接观察并测量纳米气泡粒径，但是通常电镜要求的真空测量环境会对气泡粒径产生一定影响，粒径测量结果也会受到电镜分辨率限制而产生误差，同时其资金运行成本高、样品制备昂贵、样品制备后的样品完整性差。间接法可以通过动态光散射测量纳米气泡的运动轨迹、速度来计算出纳米气泡粒径，但是这种测量方法容易受到杂质、不同粒径气泡的光学信号值差异过小等影响，导致测量结果中含有较多错误数据，造成纳米气泡粒径分布结果非单峰性。在纳米气泡生产中，产生的气泡一般是集中某一粒径，也就是粒径分布图以单峰形式出现。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术中存在的问题，开发一种纳米气泡粒径分布计算方法，用于测量含纳米气泡水中的纳米气泡平均粒径大小及其分布规律。其应用NTA捕捉的气泡的布朗运动与扩散系数关系初步获得含所有颗粒粒径的数据源，再对准确的数据进行筛选，结合对数正态分布对数据进行拟合，得到准确的粒径分布规律。该方法更新了颗粒粒径数据处理方法，避免了粒径测量过程中因光源信号值差异过小问题所带来的误差，弥补了单独依靠NTA捕捉布朗运动与扩散系数关系计算粒径大小的准确性的不足，提供了新的准确的粒径测量方法。
本发明的技术方案是：
一种纳米气泡粒径分布计算方法，该方法用动态光散射及爱因斯坦方程获得溶液中纳米气泡的运动规律与近似流体力学直径；通过对数据进行筛选、分组，使用对数正态分布进行数据拟合，得到准确直观的气泡分布规律与平均粒径。
具体步骤如下：
一种纳米气泡粒径分布计算方法，包括如下步骤：
第一步：用NTA初步获得纳米气泡全部粒径数据；
利用纳米气泡发生装置产生含有纳米气泡的水溶液，用玻璃注射器承装溶液，每组溶液测量两次以上；利用NTA捕捉纳米气泡布朗运动特性；再利用爱因斯坦方程式计算气泡的流体力学直径，获得全部粒径数据；
第二步：数据的筛选和分类；
将第一步NTA获得的数据进行筛选，保留所有True数据，删去所有False数据；然后对保留的数据进行区间分类计数，设定指定步长，对应区间的气泡数目进行累加，累加次数与测量次数相同；
第三步：对数正态分布拟合粒径分布规律；
将第二步得到的不同区间的气泡数目数据，以粒径为横轴、对应区间气泡数目为纵轴，绘制直方图，对绘制的直方图进行对数正态分布拟合，拟合得到的本次测量的气泡分布规律及平均粒径；
同时，对于多组数据计算，通过绘制堆叠柱状图，再进行对数正态分布拟合得到多组数据的气泡分布规律和平均粒径。
本发明的有益效果是：
上述技术方案利用NTA与对数正态分布计算溶液中纳米气泡粒径分布及平均粒径，较为准确的获得了纳米气泡在溶液中的分布规律与气泡的平均粒径大小。
利用NTA自身的动态光散射和爱因斯坦方程算法得到粗略的纳米气泡粒径分布规律和平均粒径，通过对导出的数据筛选、分类处理，对整理后的数据进行直方图或堆叠柱状图的绘制、对数正态分布函数拟合气泡粒径分布规律，查找拟合得到的参数XC，确定溶液中气泡的平均粒径。避免了因软件自身数据处理、选择而导致分布规律变化、平均粒径偏大，结果表明，在使用产生粒径为100nm的气泡发生器连续通气10min，粒径分布由多峰变为单峰，平均粒径由159.1nm变为114.53nm；在使用产生粒径为100nm的气泡发生器连续通气20min，粒径分布由多峰变为单峰，平均粒径由149nm变为115.89nm。平均粒径接近条件粒径的准确度分别提高了44.58％和33.11％。
附图说明
图1是一种纳米气泡粒径分布计算方法流程图。
图2是软件自身输出的通气时间为10min的气泡粒径分布图。
图3(a)是拟合得到的通气时间为10min的气泡粒径分布图。
图3(b)是拟合得到的通气时间为20min的气泡粒径分布图。
图4是拟合得到的不同通气时间的气泡粒径分布图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。所述实施例是为进一步描述本发明，而不是限制本发明。
对比例
为了验证结合NTA与对数正态分布计算溶液中纳米气泡粒径分布及平均粒径的方法的准确性，可以采取与软件导出的气泡粒径分布结果与平均粒径进行比较。对比例是在使用产生100nm的纳米气泡发生器，通气时间为10min的实验工况下对结果进行比较。软件自身导出的分布图如图2，通过该方法计算的结果图如图3(a)。
从粒径分布规律上看，该方法计算的结果更符合单峰的目标结果；从平均粒径上看，该方法计算的结果为114.53nm，相比于软件直接导出的159.1nm，更接近条件值100nm。
实施例1
是使用产生粒径为100nm的气泡发生器连续通气10min实验工况下，NTA与对数正态分布计算溶液中纳米气泡粒径分布及平均粒径的方法。
具体步骤如下：
第一步：用NTA初步获得纳米气泡全部粒径数据
利用纳米气泡发生装置产生含有纳米气泡的水溶液，用玻璃注射器承装溶液，每组溶液测量20次，每次测量时间为10秒；利用NTA捕捉纳米气泡布朗运动特性；再使用软件利用爱因斯坦方程式计算气泡的流体力学直径；使用软件倒出全部粒径数据；
第二步：数据的筛选和分类
将NTA软件倒出的数据进行筛选，保留所有True数据，删去所有False数据；然后对选出的数据进行0-500nm的区间分类计数，步长为25nm，对应区间的气泡数目进行累加，累加次数与测量次数相同；
第三步：对数正态分布拟合粒径分布规律
将不同区间的气泡数目数据导入Origin绘图软件中，以粒径为横轴、对应区间气泡数目为纵轴，绘制直方图，对绘制的直方图进行对数正态分布拟合，拟合得到的参数XC则是目标要求的平均气泡粒径，便得到了本次测量的气泡分布规律及平均粒径。
具体步骤为：以粒径为横轴、对应区间气泡数目为纵轴，绘制直方图：在Origin页面中选择Plot，下拉Plot选择Historgram选项，此时成功绘制数据直方图；在绘制的直方图中，对数据进行对数正态分布拟合：在Origin页面中选择Analysis，接着选择Fitting，在Fitting中找到Nonlinear Curve Fit，选择Function Selection，勾选LogNormal选项，便成功对数据进行了对数正态分布拟合。拟合得到的参数XC则是目标要求的平均气泡粒径，便得到了本次测量的气泡分布规律及平均粒径。
对于多组数据数据分析，可以通过绘制堆叠柱状图：在Origin页面中选择Plot，下拉Plot选择Stacked Column选项，此时成功绘制堆叠柱状图；在绘制的堆叠柱状图中，对所有数据同时进行对数正态分布拟合：在Origin页面中选择Analysis，接着选择Fitting，在Fitting中找到Nonlinear Curve Fit，选择Function Selection，勾选LogNormal选项，便成功对所有数据进行了对数正态分布拟合。每组数据拟合得到的参数XC则是目标要求的平均气泡粒径，便得到了多组测量的气泡分布规律及平均粒径。
得到的气泡分布规律图见图3(a)，气泡平均粒径为114.53nm。
实施例2
是使用产生粒径为100nm的气泡发生器连续通气20min实验工况下，NTA与对数正态分布计算溶液中纳米气泡粒径分布及平均粒径的方法。
具体步骤见实施例1，这里只给出计算结果：得到的气泡分布规律图见图3(b)，气泡平均粒径为115.89nm。

Claims (2)

1.一种纳米气泡粒径分布计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：用NTA初步获得纳米气泡全部粒径数据；
利用纳米气泡发生装置产生含有纳米气泡的水溶液，用玻璃注射器承装溶液，每组溶液测量两次以上；利用NTA捕捉纳米气泡布朗运动特性；再利用爱因斯坦方程式计算气泡的流体力学直径，获得全部粒径数据；
第二步：数据的筛选和分类；
将第一步NTA获得的数据进行筛选，保留所有True数据，删去所有False数据；然后对保留的数据进行区间分类计数，设定指定步长，对应区间的气泡数目进行累加，累加次数与测量次数相同；
第三步：对数正态分布拟合粒径分布规律；
将第二步得到的不同区间的气泡数目数据，以粒径为横轴、对应区间气泡数目为纵轴，绘制直方图，对绘制的直方图进行对数正态分布拟合，拟合得到的本次测量的气泡分布规律及平均粒径；
同时，对于多组数据计算，通过绘制堆叠柱状图，再进行对数正态分布拟合得到多组数据的气泡分布规律和平均粒径。
2.根据权利要求1所述的一种纳米气泡粒径分布计算方法，其特征在于，第二步中数据的筛选和分类的具体步骤为：对每一组测量得到的数据筛选，选择所有True数据，每一组数据放在新的一列，对每一列数据进行筛选计数，再通过求和函数，对处于同一大小范围、不同列的数据个数进行叠加，得到该样品溶液的粒径粗略分布。
CN202011144121.5A 2020-10-23 2020-10-23 一种纳米气泡粒径分布计算方法 Pending CN112345417A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011144121.5A CN112345417A (zh) 2020-10-23 2020-10-23 一种纳米气泡粒径分布计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011144121.5A CN112345417A (zh) 2020-10-23 2020-10-23 一种纳米气泡粒径分布计算方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112345417A true CN112345417A (zh) 2021-02-09

Family

ID=74359870

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011144121.5A Pending CN112345417A (zh) 2020-10-23 2020-10-23 一种纳米气泡粒径分布计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112345417A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115824973A (zh) * 2022-12-12 2023-03-21 西南石油大学 一种微量光热转换效率测试计算方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102210987A (zh) * 2010-04-12 2011-10-12 阿思普株式会社 气体溶解液生成装置及生成方法
CN103175760A (zh) * 2013-02-06 2013-06-26 清华大学 水体中微纳米气泡观测系统及方法
US20160319209A1 (en) * 2006-12-11 2016-11-03 Opt Creation, Inc. Apparatus and process for production of nanobubble liquid
CN206656938U (zh) * 2017-03-05 2017-11-21 泉州信息工程学院 一种微纳米气泡的检测装置
CN110227365A (zh) * 2019-07-16 2019-09-13 莘建栋 一种微细纳米气泡溶液的制备装置及微细纳米气泡溶液

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160319209A1 (en) * 2006-12-11 2016-11-03 Opt Creation, Inc. Apparatus and process for production of nanobubble liquid
CN102210987A (zh) * 2010-04-12 2011-10-12 阿思普株式会社 气体溶解液生成装置及生成方法
CN103175760A (zh) * 2013-02-06 2013-06-26 清华大学 水体中微纳米气泡观测系统及方法
CN206656938U (zh) * 2017-03-05 2017-11-21 泉州信息工程学院 一种微纳米气泡的检测装置
CN110227365A (zh) * 2019-07-16 2019-09-13 莘建栋 一种微细纳米气泡溶液的制备装置及微细纳米气泡溶液

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
南京药学院药剂学教研组: "《药剂学 第2版》", 31 May 1985, 人民卫生出版社 *
国凯 等: "纳米颗粒跟踪分析法的准确测量", 《中国粉体技术》 *
莫宸冉: "基于超声空化的纳米气泡产生方法与性质研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115824973A (zh) * 2022-12-12 2023-03-21 西南石油大学 一种微量光热转换效率测试计算方法
CN115824973B (zh) * 2022-12-12 2025-04-25 西南石油大学 一种微量光热转换效率测试计算方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116881812B (zh) 基于多源遥感数据和随机森林法估测森林碳储量的方法
CN108872964B (zh) 基于无人机LiDAR数据的银杏人工林郁闭度提取方法
Bonato et al. High spatial variability of phytoplankton assessed by flow cytometry, in a dynamic productive coastal area, in spring: The eastern English Channel
CN110261272B (zh) 基于地理探测和pca对pm2.5浓度分布的关键影响因子筛选方法
CN116485615B (zh) 环境污染物生态毒性效应阈值浓度测算方法
CN106204611B (zh) 一种基于HASM模型的LiDAR点云数据处理方法及装置
CN107728150A (zh) 调查湖泊沉水植物的方法
CN102645444A (zh) 一种利用Photoshop软件定量表征烤后烟叶细胞形状特征的方法
CN107729651A (zh) 基于多维度的坡面细沟发育形态特征综合量化方法
CN109375285A (zh) 一种应用于污染分析的玫瑰图制作方法
CN114186491A (zh) 基于改进lur模型的细颗粒物浓度时空特征分布方法
Deng et al. Phosphorus loss through overland flow and interflow from bare weathered granite slopes in southeast China
CN114563771A (zh) 基于聚类分析的双阈值激光雷达云层检测算法
CN116413183A (zh) 一种孔隙连通性评价方法和装置
CN117634886A (zh) 一种微塑料污染风险等级评估方法
Liu et al. Regional potential wind erosion simulation using different models in the agro-pastoral ecotone of Northern China
CN112345417A (zh) 一种纳米气泡粒径分布计算方法
CN118397558A (zh) 一种土壤修复监测系统及方法
CN113157772B (zh) 一种基于古湖沼学方法的湖泊适宜生态水位确定方法
CN111723479A (zh) 面向过程的富营养化湖泊藻总量遥感估算方法
Jin et al. Fractal dimension characteristics of the soil cracking process when saline-alkali soil is mixed with hippophae roots
Sun et al. Runoff characteristics and soil loss mechanism in the weathered granite area under simulated rainfall
CN114967798A (zh) 一种基于互联网的天麻种植管理控制系统
CN116913047B (zh) 一种流域农业面源污染物溯源方法和预警系统
CN119785234A (zh) 基于监督学习算法的卫星遥感影像分块分类水体识别方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210209

RJ01 Rejection of invention patent application after publication