[发明专利]一种测量液相扩散系数的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，用LED作光源通过毛细管光学成像原理测量液相扩散系数的方法。

背景技术

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。已广泛应用在生物、化工、医学及环保等新兴行业中。由于液体分子的平均间距远比气体分子小，又不及固体那样有规则排列，所以液相扩散系数的理论描述和实验测量远比气体及固体困难，不同体系的液相扩散数据相当缺乏。目前，液相扩散系数主要依靠实验方法获得，通过间接地测量溶液由于扩散过程形成的浓度随空间和时间的分布，根据描述扩散过程的Fick定律计算出液相扩散系数。

从测量扩散过程中溶液浓度分布的实验方法来看，目前存在折射率测量、动态光散射测量、荧光分子示踪测量和放射性元素示踪测量等方法。由于散射测量法和示踪测量法实验操作和测量较为复杂，所以广泛采用的是折射率测量的方法，尤其以折射率测量中的全息干涉法的使用最为普遍。全息干涉法是普通干涉法与全息术结合的实验方法，测量精度高，但对实验装置的稳定性要求高，测量时间较长，对实验相关仪器设备要求较高。

目前，在液相扩散系数的测量方法上一直没有新的突破，没有一种既能精确又能快速测量液相扩散系数且能摆脱过多的对仪器要求的一种方法。本发明在已有的透明液体折射率测量新方法[用玻璃毛细管精确测量微量液体的折射率，中国发明专利，200710066016.2[P]；精确测量微量液体折射率的新方法[J]，《光学 精密工程》，2008,16(7),1196-1202）]基础之上，根据液相扩散过程沿玻璃毛细管轴向形成的溶液折射率梯度分布特点，利用毛细管成像原理实现了一种测量液相扩散系数的新方法，较好地解决了原有测量方法中测量速度慢、抗环境干扰能力弱等问题。

发明内容

为了寻求一种精度高、速度快、抗环境干扰能力强、系统稳定性好的一种全新的测量方法及装置。本发明旨在提供一种用透明毛细管构成液相扩散池，利用毛细管成像法特有的折射率空间分辨测量能力，通过直接观察和记录扩散介质的等折射率薄层在毛细管中的扩散规律，基于液相扩散过程遵循的Fick第二定律计算出液相扩散系数的方法。

本发明通过以下方式实现：

一种测量液相扩散系数的方法：

该方法通过测量等折射率薄层沿玻璃毛细管轴向扩散的位置和时间，利用以下公式或该公式的变形式计算液体的扩散系数；

               （1）

式（1）中：

D 是扩散系数；

C₁和C₂分别为扩散开始前 (t <0) 两种扩散溶液在界面(Z= 0)两边的初始浓度；

n_c为扩散过程稳定10分钟后所选定的一个溶液的等折射率，n_c值介于第一种扩散溶液和第二种扩散溶液的折射率之间，由n_c值确定的毛细管焦点位置被电子显微镜系统清晰成像，且n_c值为不变量；

规定沿毛细管管轴方向为Z方向，，t_i，（i=1,2）是等折射率n_c薄层溶液在毛细管中扩散所形成的焦点沿管轴方向的两次清晰成像位置和时间；

refive(u)是误差函数的反函数，表示为：

        （2）

式（2）中，C(Z, t) 表示t 时刻沿毛细管管轴方向在位置Z处的溶液浓度，C(Z, t)是用液体折射率测量仪测量的不同浓度溶液的折射率所确定的浓度C(Z, t)和折射率n(Z, t)的线性关系：

C(Z, t)= mn(Z, t)+C₀           其中，m和C₀为常数          （3）。