一种低聚水簇的制备装置和制备方法与流程

本发明涉及基础化学领域，特别是涉及一种低聚水簇的制备装置和制备方法。

背景技术：

1、基于人类对微观分子世界的开发研究不断进步，水分子在常态下的存在结构引起理论物理学家、结构化学家及数学家的注意，低聚水簇(甚至是单分子水)的制备与观测成为研究热点。根据热力学计算，以单分子存在的水其熔点和沸点应是-110℃和-85℃，远小于实际的0℃和100℃，由于水异常的熔沸点等特殊性质，人们推测在自然状态下水并非以单分子存在，而应以分子簇的形式存在。科学家开始了水簇聚合大小的研究，有人采用可变压力蒸汽容器，超声波高速气流喷射进入高真空室而瞬间形成低聚水簇。g.torch用电子衍射研究n簇，有人用x衍射研究其结构，还有人用高分辨质谱研究n族。j.w.shin等和mitsuhiko，miyazakj两个实验室彼此独立开展n簇(含质子簇)与红外傅立叶、激光拉曼联合散射，得到相同的结果。k.nauta和r.e.miller则采用液氦滴自由下落，捕集与冷冻水蒸汽，再用红外观察，t.mitsui则在高真空中用扫描隧道显微镜(tsm)观察n及n簇结构，这些试验均为半定量式，而且都在水为气态的条件下进行，常温条件下形成液态低聚水簇十分困难，因此直接对液态水的n簇研究进展十分缓慢。

2、水分子的特殊结构为氧原子和两个氢原子呈三角形，其夹角为105°，氧原子为中心对应于两个氢原子的方向，存在两个带负电的电子云，它吸引相邻水分子的氢核，以氢键结合方式形成环叠式分子团，通常以h2o表示水分子的氢、氧之间以共价健结合，而相邻水分子的氢、氧之间以氢键保持联系。水簇作为大量液态水的简化，可以为液体水性质的研究提供有效的途径。水簇的研究不仅可以了解水的一些不同寻常的行为，还为了探索水分子在生物体内的存在形式与所起到的作用以及设计新颖的功能材料。因此，研究水分子簇对于水本身的性质以及其作为溶剂的性质有着非常重要的意义。

3、本发明就是在此基础上，创设一种低聚水簇的制备装置和制备方法，使其通过超声波对处理水产生振动和空化效应，将高聚水分子簇打散成低聚水分子簇，同时通过电子束的扫描作用向水反应容器中注入电子束以保证低聚水分子簇的稳定，避免超声作用产生的低聚水分子簇回归到氢键结合状态，实现低聚水分子簇的制备。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种低聚水簇的制备装置，使其通过超声波对处理水产生振动和空化效应，将高聚水分子簇打散成低聚水分子簇，同时通过电子束的扫描作用向水反应容器中注入电子束以保证低聚水分子簇的稳定，避免超声作用产生的低聚水分子簇回归到氢键结合状态，实现低聚水分子簇的制备。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种低聚水簇的制备装置，包括主腔体、超声换能器和电子束发生与扫描单元，所述超声换能器设置在所述主腔体的底部，用于向所述主腔体内部发射振动波；所述电子束发生与扫描单元设置在所述主腔体的上部，用于通过扫描方式向所述主腔体内部发射电子束，则所述主腔体内部的水在所述超声换能器发射的振动波作用下产生空化现象，并形成水的震荡扰动效果，达到水分子之间的氢键解离，使高聚态水分子形成低聚水分子簇，同时在所述电子束发生与扫描单元发射的电子束作用下，保持低聚水分子簇的稳定，制备得到低聚水簇。

3、进一步改进，所述超声换能器采用3*3超声换能器阵列，所述3*3超声换能器阵列中每个超声换能器均连接超声波发生器，所述超声波发生器所产生的超声频率范围为：8-120mhz，超声功率密度大于0.5w/cm2。

4、进一步改进，所述3*3超声换能器阵列中中间列的超声换能器的振动平面法线与水平面垂直，两侧列的超声换能器的振动平面法线均向中间倾斜，两侧列的所述超声换能器的振动平面法线与水平面夹角为65°-80°。

5、进一步改进，所述3*3超声换能器阵列中每个超声换能器同时工作或从一侧向另一侧的依次循环工作。

6、进一步改进，所述主腔体的底部设置多个所述3*3超声换能器阵列。

7、进一步改进，所述电子束发生与扫描单元包括阴极灯丝、控制极、阳极和偏转线圈，所述阴极灯丝、控制极和阳极组成电子枪发射电子束，电子束在偏转线圈作用下以扫描方式射至所述主腔体内部，为所述主腔体内部水补充电子；所述电子束发生与扫描单元发射的电子束功率调节范围为1-100w。

8、进一步改进，还包括与所述电子束发生与扫描单元和超声波发生器连接的超声与电子束扫描协同控制器，用于控制所述电子束发生与扫描单元和超声波发生器的启闭和工作时长，并实现所述电子束发生与扫描单元发射的电子束扫描路径与所述超声换能器产生的振动波相对应。

9、进一步改进，还包括空化碰撞多孔板，所述空化碰撞多孔板水平设置在所述主腔体内部，其上设有若干个通孔。

10、进一步改进，所述空化碰撞多孔板中若干个通孔按列均匀排布，且相邻列之间的通孔间隔排布，所述通孔直径为8-28mm，相邻通孔之间的间隙为所述通孔的半径。

11、作为本发明的又一改进，本发明还提供一种低聚水簇的制备方法，所述制备方法采用上述的低聚水簇的制备装置实现，所述制备方法为：

12、在所述主腔体中加入自然状态下的纯化水，开启所述超声换能器，所述主腔体内部的水在所述超声换能器发射的振动波作用下，产生空化现象，并形成水的震荡扰动效果，达到水分子之间的氢键解离，使高聚态水分子形成低聚水分子簇，同时开启所述电子束发生与扫描单元，在所述电子束发生与扫描单元发射的电子束作用下，保持低聚水分子簇的稳定，制备得到稳定的低聚水簇。

13、进一步改进，所述制备方法中纯化水采用蒸馏方法制备。

14、采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

15、1.本发明低聚水簇的制备装置通过超声波对处理水产生震荡扰动和空化效应，将高聚水分子簇打散成低聚水分子簇，甚至为单分子水，同时通过电子束的扫描作用向水反应容器中注入电子束以保证低聚水分子簇的稳定，避免超声作用产生的低聚水分子簇回归到氢键结合状态，实现低聚水分子簇的制备。该装置结构简单，成本低容易实现，制备得到的低聚水簇可用于所有对于水簇研究的领域，为水分子簇的研究提供强有利的支持。

16、2.通过超声换能器阵列的设置，以及不同超声换能器的依次工作，更容易形成水的震荡扰动效果，与空化效应相结合，容易破坏水分子的氢键聚合；还通过超声与电子束扫描协同控制器控制电子束发生与扫描单元和超声波发生器的启闭和工作时长，并实现电子束发生与扫描单元发射的电子束扫描路径与超声换能器产生的振动波相对应，更利于水分子簇从高聚状态释放为低聚状态，提升低聚水簇的制备效率。

17、3.还通过空化碰撞多孔板的设置，使被超声换能器扰动的水分子在向上通过多孔板时与多孔板产生撞击，更容易实现水分子氢键断裂，进一步提升低聚水簇的制备效率。

18、4.本发明低聚水簇的制备方法通过超声波对处理水产生振动和空化效应，将高聚水分子簇打散成低聚水分子簇，甚至为单分子水，同时通过电子束的扫描作用向水反应容器中注入电子束以保证低聚水分子簇的稳定，避免超声作用产生的低聚水分子簇回归到氢键结合状态，实现低聚水分子簇的制备，保持水的低聚状态，稳固可靠。