超聲波清洗技術(shù)在工業(yè)領域的應用研究進展

李璐，李家成，王佳豪，王浩然，林子增，王鄭

(1.南京林業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037；2.南京水務集團有限公司，江蘇 南京 210002)

超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波，由物質(zhì)振動而產(chǎn)生。超聲空化是指液體中的小泡核在超聲作用下高速振蕩、生長、收縮、再生長、收縮并最終坍塌的動態(tài)過程。這種瞬間坍塌引起的局部高溫高壓，為一般條件下難以或不可能實現(xiàn)的化學反應提供了極端條件，同時為加速化學反應提供了更多的空間和通道[1]。超聲波清洗主要利用超聲空化作用產(chǎn)生的化學和機械效應?？栈饔靡环矫媸刮廴疚镅杆賱兟洌硪环矫嬖谒葸^程中產(chǎn)生局部高溫高壓加速水分子的熱解，生成高度活性的自由基(·H和·OH)和活性物質(zhì)，分散、乳化、剝離污物而達到清洗目的。

超聲波頻率高、波長短，傳播具有較強的方向性，可聚集成定向狹小的線束，反射能力強，功率大，能量集中且比一般聲波大得多，具有繞射、衍射、投射等特性，可以在縫隙孔洞內(nèi)部產(chǎn)生空化并去污，常常用于表面形狀較復雜，帶有細孔、狹縫的工件清洗。超聲清洗的適用性很廣，尤其是對于金屬、玻璃和塑料等材質(zhì)，洗滌速度快、效果好，在某些條件下可以使用水來代替化學試劑進行清洗，避免對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。近年來，超聲波清洗已經(jīng)廣泛應用于表面噴涂處理等工業(yè)領域。

本文在總結(jié)傳統(tǒng)超聲波清洗的基礎上，進一步研究了超聲波清洗機理，將超聲清洗應用于防垢、除垢和再生處理。提出了改良清洗槽、調(diào)頻、使用雙/多頻超聲波、改變發(fā)生器位置等改進方法，并將超聲波與其他工藝聯(lián)合使用，使超聲波清洗更加高效地運用于生產(chǎn)實踐中。

1 超聲波清洗的應用

1.1 傳統(tǒng)應用

超聲波清洗能夠去除無機污垢或微生物材料形式的表面污染。這種清潔方法可用于大小物品，并能深入物體表面的縫隙和空洞，提高了清洗速度，通?？梢詰糜诮M裝的部件，而不需要將它們分解成單獨的單元。氣泡破裂時形成的射流所產(chǎn)生的微流化效應，改善了本體清洗溶劑向表面的傳質(zhì)[2]，能很好地與水基溶劑相結(jié)合，代替更危險的鹵代烴，為清洗表面提供了更清潔的溶劑。

在機械加工行業(yè)，超聲波可用于加工前后零配件的清洗，利用超聲波空化效應所產(chǎn)生的沖擊波來沖擊被清洗物表面而形成強大的聲波流，以克服顆粒的黏附力而將表面的顆粒去除并實現(xiàn)表面清潔，能夠有效地提高表面加工質(zhì)量[3]。王永光等[3]在化學機械拋光后的清洗過程中加入超聲波，顆粒去除率超過90%。

在醫(yī)藥行業(yè)，超聲波清洗能夠去除器械表面血液、蛋白等附著物，也能有效地滅活病原體[4]，起到消毒、殺菌的作用，因此廣泛應用于腹腔鏡、鼻鏡等醫(yī)療器械的清洗。

在化工行業(yè)，超聲清洗的應用尤為突出，利用超聲波的空化效應、乳化、剝離等作用，能夠?qū)崿F(xiàn)化工原料、設備的清洗，污染物的分離、回收等，使得化工領域朝著更加清潔、環(huán)保的方向發(fā)展。①超聲清洗可用于高硫煤的清洗，Barma等[5]利用低頻超聲對印度低品位煤進行清洗，提高了煤中雜質(zhì)的顆粒表面積和可萃取性，去礦化作用和脫硫率達到41.28%和52.17%。②利用超聲波對受污染的膜進行清洗，能夠有效地提高其膜通量。Liu等[6]利用超聲強化化學清洗受污染的納米過濾膜，膜通量提高到95.6%，遠高于原高強度化學清洗。超聲波清洗結(jié)合水力沖洗可以改善過濾器的清洗效果，延長濾料的使用壽命，恢復膜的過濾性能[7]。③超聲波能夠有效地洗脫污染物并回收污染物。在一定的聲強和頻率下，超聲能使乳化液破乳，降低油泥穩(wěn)定性，改善油泥分離性能[8]，因此常常用于清洗油泥砂、石油污染海濱土[9]。邱瓊瑤等[10]以EDTA 為洗脫劑，利用超聲波強化洗脫對重金屬污染土壤處理；Kumar等[11]利用超聲波對核反應堆燃料棒進行清洗，去污效率超過99%。He等[12]提出了基于超聲波清洗和酸洗的方法從廢液中回收陰極材料和鋁，剝離效率可以達到99%。

1.2 超聲波阻垢、除垢

超聲波阻垢、除垢技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，利用超聲波與物體表面發(fā)生沖擊作用過程中，表面和液體相交界面上產(chǎn)生高速微渦和剪切應力等物理效應，一方面對金屬壁面起到清理作用，同時也阻礙新的污垢的附著[13]。

超聲波的空化作用、活化作用和抑制作用是實現(xiàn)防垢功能的主要原因。當超聲波脈沖振蕩波在管道內(nèi)傳播時，一方面破壞了結(jié)晶垢在管壁上生成和沉積的條件，形成了分散相沉積體，另一方面對金屬界面有一定的清理作用，阻礙了結(jié)晶垢等物質(zhì)的附著，進而達到防止結(jié)垢、結(jié)晶、積垢的效果[14]。趙陽等[15]模擬了工業(yè)冷卻水條件，研究超聲波在碳酸鈣結(jié)垢過程中的作用及影響，發(fā)現(xiàn)在44 ℃的水溫下，頻率為28 kHz的超聲波阻垢率達到70.5%?；粑奶m等[16]將防垢劑與超聲波配合使用，防垢率可達96.3%。

超聲波除垢主要利用了超聲波與液體介質(zhì)之間相互作用所產(chǎn)生的“空化效應”、“剪切效應”[17]，空化作用產(chǎn)生的高速微射流使氣泡表面具有一定的速度梯度，能夠破壞污垢的附著，從而脫離被清洗物件表面。傅俊萍等[18]采用超聲波對結(jié)垢試件進行了除垢實驗，發(fā)現(xiàn)超聲波處理具有明顯的除垢效果，頻率為40 kHz時，除垢效率最高達91.11%?；粑奶m等[16]以輸油管道垢塊、金屬鐵片為研究對象，將化學試劑法與超聲波作用結(jié)合起來，在使用化學除垢劑的同時疊加超聲波場，進行除垢、防垢實驗，疊加超聲處理后，除垢效果大大提高。

超聲波阻垢與除垢可以同步進行，處理效率高、性能可靠、操作簡便、運行成本低，且清潔環(huán)保、對環(huán)境無污染，具有良好的應用前景。

1.3 超聲波再生

利用超聲波再生活性炭，能夠有效地去除活性炭內(nèi)吸附的雜質(zhì)，恢復其吸附特性，且具有能耗小、工藝和設備簡單、炭損失較小[19]、可回收吸附質(zhì)、再生設備簡單等優(yōu)點。超聲波再生主要利用超聲空化作用產(chǎn)生局部高溫、高壓微射流和微液流高壓。在400～600 kHz頻率范圍內(nèi)，空化作用下H2O分解生成羥基自由基，羥基自由基具有很強的氧化性和殺菌作用，這種強氧化作用可以有效地破壞有機污染物[20]。在熱解和氧化作用下，吸附質(zhì)中被分離出來[21]，實現(xiàn)了吸附劑的再生。同時在再生過程中，超聲“空化”作用幾乎全部作用于炭顆粒上，使能量集中在被吸附物質(zhì)上，加速了熱運動，脫離吸附面，并避免了重新被吸附[19]。

Guilane等[22]利用低頻超聲波作用，成功地對吸附了4-氯苯酚活性炭進行了再生。周鍵[23]利用超聲波對吸附氯苯酚顆粒狀活性炭進行再生，在適當?shù)臈l件下活性炭再生效率達到64.5%。劉成等[24]利用小試研究了低頻率(40 kHz)超聲技術(shù)對生物活性炭的再生作用，發(fā)現(xiàn)再生后其大孔及部分微孔結(jié)構(gòu)得到了恢復，活性炭表面附著的部分微生物細胞脫落、破裂，胞內(nèi)物質(zhì)釋放入水體中。對再生后活性炭進行再利用發(fā)現(xiàn)，超聲在恢復了活性炭吸附性能的同時強化了其生化作用。Sun等[20]利用高頻超聲對生物活性炭進行再生，微孔隙的體積和比表面積都得到有效地恢復，碘值和生物活性的恢復量分別為32%和68%。

但超聲波用于再生存在穿透能力差、再生效率不高、對吸附質(zhì)有一定的選擇性等缺點。雷太平等[25]對反滲透濃水吸附飽和活性炭進行超聲再生-吸附循環(huán)操作，發(fā)現(xiàn)首次再生效率為72.5%。隨著循環(huán)次數(shù)增加再生效率不斷下降，經(jīng)過3次再生后的活性炭吸附效率只有35%。影響超聲波再生效果的重要因素是羥基自由基的含量，因此，提高超聲再生過程中羥基自由基的產(chǎn)生率是超聲再生技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。

2 超聲波清洗的局限性及改進方法

目前，超聲波清洗被認為是一種效率最高、效果最好的清洗方式，但在實際應用中，超聲波清洗效果往往受到多種因素的影響，且清洗過程會造成一定程度的損傷。

2.1 超聲波清洗效果受多種因素影響

超聲波清洗的效果受諸多因素影響，首先，選用合適的參數(shù)條件才能達到最大程度地發(fā)揮超聲波清洗作用，提高清洗效率。李勇等[26]在不同的參數(shù)條件下用超聲波儀對石英砂進行清洗，發(fā)現(xiàn)超聲波的頻率和功率、草酸濃度、清洗時間、清洗溫度等參數(shù)對清洗效果都會產(chǎn)生影響，其中影響最大的是超聲波頻率和草酸溶液濃度。龐昊斐等[27]通過建立空化泡的動力學模型，數(shù)值模擬了環(huán)境溫度、聲壓幅值等因素對空化泡動力學特性的影響，發(fā)現(xiàn)在不同溫度下空化泡的動力學特性相似，聲壓幅值的增大和超聲頻率的降低均有助于提升空化效應。學者們進行了大量實驗研究，發(fā)現(xiàn)超聲頻率、功率密度、清洗時間、清洗溫度、清洗劑[28]種類等因素均能夠影響超聲波清洗的效果。

近年來，研究發(fā)現(xiàn)清洗效果還與清洗槽內(nèi)的聲場分布特性密切相關(guān)。超聲波換能器通常安裝在清洗槽底部，當換能器從槽底發(fā)射聲波時，聲波在槽內(nèi)液體中輻射，經(jīng)過液面反射后在槽內(nèi)形成駐波，槽內(nèi)聲場呈現(xiàn)出不均勻的分布趨勢[29]。梁松等[30]建立了超聲清洗聲場模型，證實了單振子聲場中駐波的存在。Birkin等[31]認為聲場分布不均勻、空化作用中熱點和冷點的存在都會導致清洗槽內(nèi)一些區(qū)域無法達到清潔。

2.2 超聲波清洗造成損傷

超聲波清洗主要利用超聲波空化作用下的化學和機械效應?？栈饔孟庐a(chǎn)生的空化泡坍塌時引起的微流、微射流，是以帶狀結(jié)構(gòu)向壓力反節(jié)點附近的公共中心移動的空化泡，可能對膜表面造成機械損傷[32]，這些氣泡相互碰撞并結(jié)合，會摩擦膜的表面。沖擊波和微射流會引起膜表面麻點和腐蝕[33]。Kim等[34]通過高速成像技術(shù)觀察連續(xù)超聲場下氣泡對微觀結(jié)構(gòu)損傷作用。根據(jù)聲壓和氣泡大小的不同，將超聲清洗中氣泡的作用分為：體積振蕩、形狀振蕩、分裂振蕩和混沌振蕩4種，超聲清洗引起的損傷主要是由于超聲場中分裂的小氣泡或混亂振蕩大氣泡而引起的。為了減少超聲清洗對被清洗物的機械損傷，需調(diào)整超聲波的頻率和振幅，以盡量減少微泡的分裂和混沌振蕩。

超聲波應用于膜清洗時，空化塌陷過程中產(chǎn)生的局部高溫高壓加速了水分子的熱解，生成高度活性的自由基和活性物質(zhì)，隨著進一步的反應，可能導致膜材料中化學鍵的斷裂，同時水中的污染物可能會發(fā)生催化反應，增加膜被降解的可能性[33]，對膜結(jié)構(gòu)造成損傷。

2.3 強化超聲波清洗的方法

超聲波清洗具有極高的利用價值，但是存在清洗不均勻、可能對被清洗物造成損傷等缺點，為減輕超聲波清洗的不利影響，在合理設置超聲波參數(shù)的前提下，可以通過增加換能器帶寬、變換換能器列陣、調(diào)整被清洗物在聲場中的放置姿態(tài)、改良槽體的形狀、調(diào)頻等方式降低駐波的影響，使聲場分布更加均勻。

2.3.1 改良清洗槽 魏鑫等[35]利用有限元理論進行數(shù)值計算，分別對槽壁呈剛性和槽壁隨換能器一起做受迫振動兩種狀態(tài)下的聲場狀態(tài)進行了分析計算，通過比較發(fā)現(xiàn)槽壁呈剛性的情況下聲場強度高、均勻性好。換能器與槽體不同的連接方式可能會造成對超聲波聲場分布特性的影響，王海鷗等[36]制作了整體粘接式、法蘭連接式兩種超聲清洗槽，對兩種清洗槽內(nèi)的超聲波場進行測試和分析比較。整體粘接式清洗槽內(nèi)的聲場強度總體明顯高于法蘭連接式，說明超聲波換能器與清洗槽之間整體黏結(jié)式的連接方式，能夠更加高效地實現(xiàn)換能器的高頻振動向槽內(nèi)水體空化作用的轉(zhuǎn)化傳遞，從而增強清洗效果。

2.3.2 調(diào)頻 超聲波清洗可分為低頻和高頻清洗。低頻超聲清洗主要利用的是空化效應，而利用兆赫級的高頻超聲進行清洗時，由于頻率太高很難發(fā)生空化，主要利用的是聲壓梯度、粒子速度及聲流的作用，即高頻壓力波的沖洗作用[37]。經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，低頻超聲波技術(shù)能夠有效地對生物活性炭進行再生，低頻超聲波在去除活性炭表面污染物的同時還可以激活膜內(nèi)更多的微生物，提升酶活性，促進細胞生長和生物合成[24]，進而增強活性炭的生化特性。閆晶等[29]分析了矩形槽式超聲波清洗機的聲場分布，發(fā)現(xiàn)采用單頻正弦信號時，聲源頻率越高，槽內(nèi)聲場分布越均勻。Gonzalez-Avila等[38]通過將兩個不同頻率的超聲串聯(lián)使用的方法來去除沉積在膜表面的粒子，首先利用高頻超聲波在膜表面產(chǎn)生大量氣泡，再利用低頻超聲驅(qū)動空化氣泡對膜進行清洗，這種方法不僅能夠更加高效地清洗，還能有效地減少對膜的破壞。因此，需根據(jù)被清洗物的特點、清洗目的及不同階段，調(diào)整、選擇合適的超聲頻率。

2.3.3 使用雙/多頻超聲波 閆晶等[29]將一定帶寬的等幅正弦信號進行疊加生成合成信號，分別將單頻信號和多頻信號施加到清洗槽中，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，由于聲波的不相干性，多頻合成信號作用時清洗槽內(nèi)聲場分布均勻性明顯優(yōu)于單頻的正弦信號，且聲場的均勻性隨頻率的升高而增強。Lu等[39]分別采用雙頻和單頻超聲波對吸附Ni2+的顆?；钚蕴窟M行再生，結(jié)果表明，雙頻超聲波作用下活性炭再生率為81.03%，比單頻超聲增加了40%。朱金鳳[19]用超聲波再生吸附苯酚的活性炭，在雙頻組合下超聲效果最好，可以達到87.2%。Zhai等[40]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，三個正交超聲波同時作用于反應器時獲得的聲壓級更高，且平均聲能量密度更大。

2.3.4 改變超聲波發(fā)生器的位置 單鳴雷等[41]研究了換能器同時位于清洗槽底部和側(cè)面、多排換能器安裝于位于底部的情況下的聲場分布特性，觀察聲場均勻性，得出結(jié)論：由于清洗槽內(nèi)正負聲壓的相互疊加、抵消作用，上述的兩種換能器分布方式下聲場分布的均勻性都得到了優(yōu)化，同時聲壓的平均值也得到提高。

3 超聲波清洗與其他工藝聯(lián)合作用

3.1 超聲-曝氣清洗

超聲波清洗時以曝氣作為輔助技術(shù)可以增加污泥中的空化氣泡數(shù)量，強化空化作用[42]。張燕等[43]采取超聲-曝氣組合清洗方式對浸沒式中空纖維膜反應器進行在線清洗，經(jīng)試驗測定，清洗后纖維膜的膜通量恢復率可達到74.24%。張瑞等[44]對超聲波氣泡清洗去除殘留有機磷農(nóng)藥的效果進行了研究，通過對實驗結(jié)果的測定分析，發(fā)現(xiàn)超聲波氣泡清洗對有機磷去除率遠遠高于清水和洗潔精浸泡。

3.2 超聲-化學清洗

化學清洗是一種廣泛使用的清洗工藝，超聲波對化學清洗具有一定的輔助作用，在化學清洗過程中，專用清洗液能夠迅速地與膜表面的污染物發(fā)生反應而使其松動、剝離，達到清洗的效果，超聲波的加入可以利用其超強的振動作用，加速污染物的剝離；此外，超聲波的空化作用可促進膜表面油污的乳化，從而在短時間清除干凈膜表面的污染物。Liu等[6]對油田污水凈化系統(tǒng)中納米過濾膜的超聲強化化學清洗進行了研究，膜通量回收率提高到 95.6%，遠高于原高強度化學清洗的49.1%。Wang等[45]將超聲波應用于NaOH化學清洗膜生物反應器中的膜，在適宜條件下可以達到80%的通量回收率。

3.3 超聲-微波清洗

張峰等[46]將微波與超聲波工藝聯(lián)合使用，對吸附飽和的活性炭進行再生處理，實驗表明，在適宜的再生條件下活性炭再生效率可以達到95.8%。采用微波-超聲波聯(lián)合工藝不僅大大縮短了再生所需時間，還減少了再生過程中活性炭的損失與其結(jié)構(gòu)的破壞。微波-超聲波聯(lián)合再生活性炭吸附苯酚的效率比微波或超聲波單獨工藝分別提高了35%和200%。李紹秀等[47]采用超聲預處理結(jié)合微波對吸附腐殖酸的載Ca磁性碳納米管進行再生，經(jīng)吸附-再生循環(huán)5次后再生率仍高于98%。

3.4 超聲-電化學清洗

超聲電化學反應是聲化學和電化學相互影響、相互促進和相互協(xié)同的作用。超聲波的空化作用、高速射流能夠增強液相傳質(zhì)，影響溶液的電導率，還可以對電極產(chǎn)生去極化和清洗作用。超聲和電化學之間對活性基團產(chǎn)生起到相互促進作用，整個反應過程產(chǎn)生的活性自由基濃度得到很大程度上的提高，從而大大提高了清洗效率。Birkin[31]在含有電解液和低濃度表面活性劑的水流中加入Pt電極，通以與超聲波場脈沖同步的電流，水在電場作用下電解產(chǎn)生氫、氧氣泡，氣泡增強了聲化學作用效果，清洗效率顯著提高。

4 結(jié)束語

超聲波清洗效果好、成本低、效率高、環(huán)保安全，因此廣泛應用于各行業(yè)。超聲波清洗的效果受到眾多因素的影響，清洗范圍內(nèi)的聲場分布對其影響尤為顯著，且超聲波清洗會造成一定程度的損傷。結(jié)合超聲波清洗的特點，通過改變清洗槽形狀、調(diào)整超聲波頻率、使用雙/多頻超聲波、改變發(fā)生器位置等方法使清洗范圍內(nèi)的聲場分布更加均勻，通過與其他工藝聯(lián)合，充分發(fā)揮各工藝的優(yōu)勢，提高清洗效率，使超聲波清洗可以在各領域中得到更充分的利用。