空化及其應(yīng)用的研究進展

舒金鍇，楊光晨，曹秋雨，黎 橋，封蘢桂

(1.湖南城市學(xué)院 市政與測繪工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.湖南省村鎮(zhèn)飲用水水質(zhì)安全保障工程技術(shù)研究中心，湖南 益陽 413000；3.中國核工業(yè)第二二建設(shè)有限公司，武漢 430000)

當(dāng)今世界科技水平飛速發(fā)展，人們生活日益豐富，人們對生活質(zhì)量的要求也越來越高，尤其對于水質(zhì)的要求.我國當(dāng)前大多數(shù)水源都受到不同程度的污染，且有愈演愈烈的趨勢，其中淮河、黃河、海河有70%左右河段都遭受到了污染，這些被污染的水源嚴(yán)重地危害著人類身體健康.造成這一切的主要原因就是污廢水的超量排放，隨著當(dāng)今社會的飛速發(fā)展，這些污廢水的排放量還會不斷上升，據(jù)統(tǒng)計，其增加速度大約為18 億m3/a，我國如今的污廢水日排放量約為1.64 億m3，其中80%左右的污廢水未經(jīng)處理便實施排放，人們現(xiàn)在急需一種簡便高效的水處理方式來解決以上問題.空化現(xiàn)象中的水力空化便能有效地解決這一問題，部分學(xué)者開始把目光投向空化作用的研究，隨著研究不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)其在實際生產(chǎn)生活中有較廣泛用途，且適用范圍廣[1-5].空化作用可以在許多方面得以利用，如食品工業(yè)、水處理、能量收集、生物醫(yī)學(xué)等[6].超聲空化、水力空化、光空化、粒子空化[7]是現(xiàn)在世界上主流的4 種空化方式，使用最多的空化方式是超聲空化和水力空化.超聲空化在空化的過程中只有10%左右的能量用來進行空化反應(yīng)，而90%以上的能量被用來提升系統(tǒng)溫度[8]，其能量利用率過低，難以投入到實際工程中.而光空化和粒子空化因其工作條件要求苛刻以及場地建設(shè)困難等難以投入使用.水力空化可處理難降解有機物，具有成本低、能耗小、維護方便、操作簡單、效率高等特點.

因此，水力空化便更具現(xiàn)實意義，更容易量產(chǎn)并投入使用.

1 空化現(xiàn)象及機理

空化現(xiàn)象是一種發(fā)生在液體介質(zhì)中劇烈的物理現(xiàn)象.其原理是基于流體中壓力發(fā)生突變從而出現(xiàn)氣泡的產(chǎn)生、發(fā)展和湮滅.液體在流動過程中與空氣發(fā)生接觸，氣體溶入其中，導(dǎo)致液體中存在大量“氣核”，當(dāng)壓力降至空氣分離壓之下時，液體便產(chǎn)生大量氣泡.當(dāng)壓力在這種溫度下降低至該液體的飽和蒸汽壓之下時，液體便劇烈地沸騰并且同時汽化產(chǎn)生大量的氣泡.這些氣泡在破滅瞬間會在其周圍的空間內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)4 927 ℃高溫以及51 MPa 的高壓，使溫度在10 K/s 的頻率下變化，保持高頻率地持續(xù)作用形成400 km/h 的高速射流及產(chǎn)生劇烈的沖擊波[9].這些高溫、高壓等極端條件會引起界面效應(yīng)、微擾效應(yīng)、湍流效應(yīng)和聚能效應(yīng)的產(chǎn)生.其中，界面效應(yīng)使傳質(zhì)面積擴大；微擾效應(yīng)強化了微孔擴散；湍流效應(yīng)減弱邊界層，提升了傳質(zhì)速率；聚能效應(yīng)增加了分離物質(zhì)分子的活性.空化形成的劇烈沖擊波能斷裂大分子的化學(xué)鍵，并使大分子有機物結(jié)構(gòu)破裂，從而降低分子量，形成小分子有機物[10].

2 空化射流裝置

空化射流裝置可大致分為2 種類型：帶運動部件的空化裝置和不帶運動部件的空化裝置.

帶運動部件的空化裝置通常由旋轉(zhuǎn)葉輪和定子組成.這些設(shè)備相當(dāng)昂貴，維護費用較高.無運動部件的空化裝置成本顯著降低，被認(rèn)為是實現(xiàn)水力空化全部潛力的最有前景的途徑.不帶運動部件的空化裝置可進一步分為2 大類：基于線性流動的空化裝置和基于旋轉(zhuǎn)流動的空化裝置.在線性流動空化裝置如節(jié)流孔或文丘里管中，工作流體被強制通過節(jié)流孔，從而實現(xiàn)低壓并因此實現(xiàn)空化；在旋流裝置中，則圍繞旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生低壓空化區(qū).

對于無運動部件的空化裝置，其空化區(qū)可以從固體表面充分移除，以消除對裝置造成相關(guān)損壞的風(fēng)險[11].流體動力空化需要空化裝置的特殊設(shè)計，以在流動區(qū)域產(chǎn)生低壓區(qū)，主要是通過迫使液體流過節(jié)流孔或文丘里管(傳統(tǒng)裝置)來增加液體的線速度，或者通過迫使液體以渦流的形式流過渦流二極管之類的裝置來增加液體的旋轉(zhuǎn)速度，渦流二極管具有從渦流中心的出口.空化裝置的特殊設(shè)計中還包括曝氣形式(可選)的工藝整合.在傳統(tǒng)的裝置中，收縮部被設(shè)計成使得喉部(最小流動區(qū)域)處的速度足夠大，以產(chǎn)生空腔，該空腔隨后在收縮部更下游的區(qū)域中塌陷，從而產(chǎn)生期望的效果.

對于液體以渦流的形式流過渦流二極管之類的空化裝置，渦流二極管和出口的尺寸被設(shè)計成能產(chǎn)生低壓區(qū)域，形成空腔，隨后經(jīng)出口離開腔室，在進入高壓區(qū)域時塌陷.空化性能取決于生成空穴的數(shù)量密度和坍塌強度[12].

3 空化應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 激光空化

激光空化技術(shù)原理是使激光通過透鏡聚焦于液體中，當(dāng)液體的擊穿閾值小于激光能量能時，大量高溫高壓等離子體會在激光的聚焦區(qū)域產(chǎn)生，并在短時間內(nèi)急速向四周擴張，排擠開旁邊的液體從而形成空泡，空泡會在待加工的材料表面經(jīng)反復(fù)多次“膨脹-收縮”，在每次“膨脹-收縮”時會產(chǎn)生微射流和沖擊波[13].激光空化優(yōu)勢在于能量進行沉積進而產(chǎn)生空化作用，具有便于控制、定位精準(zhǔn)、球?qū)ΨQ性好、無形變等特點.

Luo 等[14]采用高速成像技術(shù)探究了激光誘導(dǎo)空化氣泡經(jīng)過小孔前后的動力學(xué)特性.結(jié)果表明，SiO2懸浮液中的小孔可協(xié)助激光空化加強表面處理，達(dá)到提高表面強度的目的.試驗還對激光空化處理后的1060 鋁合金的殘余應(yīng)力、粗糙度和表面形貌進行了研究，發(fā)現(xiàn)孔洞尺寸和無量綱參數(shù)對氣泡脈動有很大影響.

王艦航等[15]研究激光空化氣泡在其膨脹和潰滅過程中，對其附近超吸水聚合物彈性小球的影響.研究發(fā)現(xiàn)在空化氣泡膨脹和潰滅持續(xù)時間最長時，對彈性小球的拉扯和擠壓作用最明顯.

3.2 超聲空化

超聲空化是利用較高的超聲波能量作用于液體，使液體中產(chǎn)生氣泡.由于超聲波能量將液體中的空化核不斷地振動、膨脹并且在空中不停地吸收一定的聲場能量，當(dāng)空化核達(dá)到一定能量極限時，空化的氣泡便可能會急劇地崩潰.超聲波的空化作用可以在很大程度上加速反應(yīng)物及其副產(chǎn)品在空氣中的擴散，促使一種新相的形成，以此提高非均相反應(yīng)速率，控制各種顆粒在空氣中的大小及其排布，實現(xiàn)將多種非均相反應(yīng)物混合均勻的效果.

魏威等[16]利用超聲空化強化甲苯烷基化反應(yīng)，通過響應(yīng)面法與單因素實驗，得出甲苯烷基化生成乙苯的最佳工藝條件為：質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的甲苯，控制pH 為6，在功率為850 W 下，超聲90 min，乙苯最佳產(chǎn)率為34%.實現(xiàn)了甲苯低溫烷基化反應(yīng)，提高了乙苯產(chǎn)率。

廖巨成[17]利用超聲空化效應(yīng)對退役吸附劑SF6進行無害化處理，結(jié)果表明:超聲清洗對SF6退役吸附劑最佳處理時間為20 min，所得再生吸附劑的吸附能力可恢復(fù)至原始吸附劑的85%～90%，此方法比傳統(tǒng)方法成本低、效率高且效果更好.

李現(xiàn)瑾等[18]通過厭氧處理結(jié)合超聲空化技術(shù)作用于剩余污泥，試驗得出：厭氧處理降低了污泥破解難度，增加厭氧處理時間，對污泥自身性質(zhì)有較大改變；超聲空化對厭氧污泥破解效果優(yōu)于新鮮污泥.

3.3 水力空化

水力空化是21 世紀(jì)興起的一種新型廢水處理方式，其主要用途是處理廢水中難以降解的各種有機化合物，例如酚類、多環(huán)芳香烴、含氮雜環(huán)化合物等.很多發(fā)達(dá)國家都有重點實驗室參與其中，嘗試通過相關(guān)研究加強其在實際工程中的應(yīng)用.已有實驗研究表明，水力空化與其他空化方式相比有著效果好、成本低、修理維護簡便、能源消耗小、操作簡單以及在工程中更容易實現(xiàn)等優(yōu)點.

Anupam 等[20]通過水動力空化技術(shù)處理表面活性劑(十二烷基硫酸鈉，SDS)廢水，試驗發(fā)現(xiàn)在孔徑1.6 mm，反應(yīng)pH 值為2，壓力0.5 MPa 條件下時，反應(yīng)60 min，SDS 降解率達(dá)99.46%.這一數(shù)據(jù)進一步肯定了水力空化技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方面的可行性.

Valentina 等[21]研究了水動力空化在合成水溶液中降解甲基橙的潛力，利用文丘里管在實驗室規(guī)模上建立了水動力空化.研究結(jié)果表明，在400 kPa 的工作壓力下，文丘里管最大空化效率達(dá)30%；當(dāng)二氧化鈦和過氧化氫等添加劑存在時，降解過程的性能略高于70%.

王永杰等[22]利用水力空化技術(shù)處理模擬含苯酚廢水，用不同孔板與文丘里管組合作為空化裝置.研究表明，苯酚的降解率隨著反應(yīng)時間增加先增大后逐漸趨于穩(wěn)定，60 min 時降解率最大，此時入口壓力為0.4 MPa；此外，孔口排布方式也對苯酚的降解率有較大影響.

楊金剛等[23]針對船舶大氣污染物中氮氧化物(NOx)存在脫除困難等問題，進行了水力空化強化二氧化氯(ClO2)脫硝試驗.結(jié)果顯示：最佳壓力組合為進口壓力300 kPa，出口壓力30 kPa；當(dāng)溶液溫度升高，脫硝效果先增加后降低，最佳反應(yīng)溫度為20 ℃.

3.4 粒子空化

粒子空化主要是將載能粒子束集中到固態(tài)液體中某個點，該粒子束把能量不斷地傳遞到固態(tài)液體，引起液體中的空化核不斷膨脹和擴張而形成一個空化氣泡，載能粒子又被稱為空化氣泡成核粒子[24].試驗中常考慮中子對物質(zhì)具有很強的貫通和穿透能力，從而直接從外部作用于目標(biāo)液體，或者直接向其他液體中添加放射性物質(zhì)，使其在溶液中發(fā)出空化氣泡.粒子空化能夠利用空化產(chǎn)生的能量強化材料性能，具有穿透力強、貫穿性好等優(yōu)點.

李欣年等[25]利用5.5 MeV 的α 粒子和2.45 MeV 的快中子作為成核粒子進行了聲空化核效應(yīng)的試驗研究，發(fā)現(xiàn)超聲期間的中子計數(shù)大于非超聲期間的中子計數(shù).通過測定試驗前后的測試液中的氚含量發(fā)現(xiàn)，實驗后液體中氚含量顯著增加，該試驗結(jié)果顯示了不同粒子成核的聲空化核效應(yīng).

4 結(jié)論與展望

目前水力空化及超聲空化在處理有毒難降解有機污染物、污水預(yù)處理等多方面顯示出極大潛力，可為解決水污染問題提供切實可行的方法.粒子空化和光空化也在提高傳熱速率、改善熱交換器及材料表面改性[26]等方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景.未來的空化技術(shù)將會朝著以下方向發(fā)展：

1)研發(fā)高效裝置.對原有空化裝置的構(gòu)造進行優(yōu)化設(shè)計，不斷研發(fā)出高效能新型空化裝置.

2)利用先進技術(shù)手段.利用模擬軟件構(gòu)建不同種類的空化模型，并結(jié)合數(shù)值模擬、理論分析和實驗仿真深入研究，優(yōu)化實驗參數(shù).

3)選用穩(wěn)定工藝.選取雙空化或空化組合工藝的方式，提升處理效果.