基于水力空化的化工過程強(qiáng)化研究進(jìn)展

孫遜，趙越，玄曉旭，趙珊，YOON Joon Yong，陳頌英

（1 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，高效 潔凈制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061；2 山東大學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 濟(jì)南 250061；3 山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266237；4 漢陽大學(xué)機(jī)械工程系，韓國 安山 15588）

化學(xué)工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)與支柱產(chǎn)業(yè)，也是我國污染的主要來源和能源消耗大戶之一?；み^程強(qiáng)化技術(shù)以節(jié)能、降耗、環(huán)保、集約化為目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、可持續(xù)發(fā)展與低碳經(jīng)濟(jì)的重要手段。作為化工過程強(qiáng)化替代能量方法中的重要手段，聲化學(xué)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于乳化、萃取、降解與催化等。聲化學(xué)效應(yīng)源自空化現(xiàn)象，可由超聲波[即超聲空化（acoustic cavitation, AC）]或流場局部壓力降[即水力空化（hydrodynamic cavitation, HC）]高效誘發(fā)。相比適用于實(shí)驗(yàn)室等小規(guī)模處理的AC 技術(shù)，HC在設(shè)備放大與成本上具有明顯優(yōu)勢，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用潛力。

HC 現(xiàn)象是當(dāng)液體高速運(yùn)動致使其局部靜壓力低于飽和蒸汽壓時，在液體中或在固-液交界面微小縫隙內(nèi)存在的氣核由于內(nèi)外壓差的變化開始生長，在遭遇壓力恢復(fù)或生長至最大直徑時潰滅的過程，并伴隨著巨大能量的釋放[圖1(a)]。早在1756年，Euler即首次指出：“水管中某處的壓強(qiáng)降到負(fù)值時，水即自管壁分離，該處將形成一個真空區(qū)，這種現(xiàn)象應(yīng)予避免”。Reynolds 在1873 年首次報道了空化對螺旋槳的破壞作用。此后，學(xué)者便一直研究HC現(xiàn)象以緩解其對水力機(jī)械、流體機(jī)械等帶來的壓降、噪聲與空蝕等負(fù)面影響，從而提高裝備的性能與壽命。另外，HC釋放的能量也可用于強(qiáng)化多種化工過程。Pandit 與Joshi在1993 年首次利用HC水解油脂，發(fā)現(xiàn)HC可高效誘發(fā)與AC類似的聲化學(xué)效應(yīng)，且在能耗上具有優(yōu)勢。自此，關(guān)于HC 的應(yīng)用研究便在國內(nèi)外蓬勃開展起來，包括：微生物滅活（水消毒、細(xì)胞裂解）、有機(jī)污染物降解、剩余污泥破解、解聚、脫硝、脫硫、脫木質(zhì)素、強(qiáng)化浮選、食品加工、表面精加工、乳化等。HC作為一種新興過程強(qiáng)化技術(shù)，在國外發(fā)展迅速，目前已形成以Aniruddha B. Pandit 與Parag R. Gogate（廢水處理）、Vivek V. Ranade（廢水處理）與Giancarlo Cravotto（生物質(zhì)資源化）等為首的若干團(tuán)隊；但國內(nèi)相關(guān)研究尚處起步階段，僅有如黃永春（殼聚糖降解）、蔡軍（污染物降解）、宋立國（船舶尾氣脫硝）、董志勇（污染物降解）、龍新平（裝備機(jī)理與滅菌）與孫遜（裝備機(jī)理）等研究者開展的有限探索。鑒于該技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景，本文將重點(diǎn)介紹HC現(xiàn)象與特性，及其在有機(jī)廢水降解、水消毒與生物燃料制備等三類典型過程強(qiáng)化的應(yīng)用， 還將總結(jié)水力空化反應(yīng)器（hydrodynamic cavitation reactor,HCR）的發(fā)展歷程與研究進(jìn)展，從而促進(jìn)國內(nèi)研究者對該技術(shù)的了解，對其在國內(nèi)的發(fā)展與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

圖1 空化現(xiàn)象與聲化學(xué)效應(yīng)

1 水力空化現(xiàn)象及其特性

空化氣泡潰滅時產(chǎn)生的巨大能量具體表現(xiàn)為以下三種直接效應(yīng)（數(shù)據(jù)均為在水中得到）。

（1）機(jī)械效應(yīng) 由于氣泡潰滅時其氣-液交界面在極短時間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，可產(chǎn)生沖擊波[如圖1(b)所示，平均傳播速度可達(dá)2000m/s]、微射流（最大速度可達(dá)150m/s 以上，可產(chǎn)生200MPa的水錘壓力）與強(qiáng)剪切應(yīng)力[如圖1(c)所示，最高可達(dá)3.5kPa]。

（2）熱效應(yīng) 潰滅時氣泡內(nèi)部產(chǎn)生局部“熱點(diǎn)”[圖1(d)]，溫度可達(dá)5200K；而在氣-液交界面上的溫度可達(dá)1900K；對附近液體的加熱和冷卻速率超過10K/s。其溫度數(shù)值受外部條件與介質(zhì)的影響。

（3）化學(xué)效應(yīng) 在上述極高溫、高壓條件下，水分子被聲解并產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生具有強(qiáng)還原性的·H與強(qiáng)氧化性的·OH、HO。

空化還可誘發(fā)如下次級效應(yīng)，如湍流、機(jī)械振蕩、乳化、擴(kuò)散、擊碎與宏觀熱效應(yīng)等。因此，以上三類效應(yīng)誘發(fā)的極端反應(yīng)條件可大大加強(qiáng)各反應(yīng)物間的相互作用和非均相體系間的混合，降低反應(yīng)所需苛刻條件，加快反應(yīng)速率，從而提高產(chǎn)率與選擇性。

空泡由HCR 誘發(fā)，因此HCR 所呈現(xiàn)的空化特性及其主導(dǎo)的外特性決定著過程強(qiáng)化機(jī)理，其性能的優(yōu)劣也從根本上決定著處理效果與經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)方式，HCR 可被分為非旋轉(zhuǎn)式[圖2(a)]與旋轉(zhuǎn)式[圖2(b)]。非旋轉(zhuǎn)式HCR（如文丘里、孔板與渦流二極管等）結(jié)構(gòu)簡單，無動部件，流體被泵賦予動能后流經(jīng)其收縮部時速度加快，導(dǎo)致靜壓力降低，從而在下游的擴(kuò)張區(qū)域產(chǎn)生空化，并伴隨著周期性的空化云的脫落。而旋轉(zhuǎn)式HCR（advanced rotational HCR,ARHCR）則是通過高速轉(zhuǎn)子上的諸盲孔[空化發(fā)生單元（cavitation generation unit,CGU）]剪切流體[即剪切式，圖2(b)左]，或通過定、轉(zhuǎn)子上的CGU 間相互作用[即相互作用式，圖2(b)右]，產(chǎn)生流動分離與渦流，誘發(fā)云空化和渦空化。關(guān)于HCR的研究進(jìn)展詳見第3節(jié)。

圖2 代表性HCR

2 基于水力空化的代表性過程強(qiáng)化應(yīng)用

2.1 水力空化強(qiáng)化有機(jī)廢水降解過程

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，污水成分日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的生物法已無法滿足不斷提高的環(huán)保要求。HC可對含有如抗生素、農(nóng)藥、染料、苯酚類、苯胺類、氰化物等成分的生物難降解廢水產(chǎn)生處理效果。其降解機(jī)理被認(rèn)為是氣泡潰滅時產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)使污染物分子主鏈上的碳鍵斷裂、局部熱點(diǎn)的熱解以及產(chǎn)生的·OH、HO氧化效果三者的共同作用。以降解染料為例，王金剛等基于紫外-可見分光光度法（UV-vis）對利用HC 處理活性艷紅K-2BP 模擬廢水過程中廢水的光譜變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)偶氮共軛物（對應(yīng)=536nm）與芳香環(huán)均在處理過程中被破壞，達(dá)到了脫色的效果[圖3(a)]。Basiri Parsa 等通過UV-vis 分析了HC 降解羅丹明B模擬廢水的光譜變化[圖3(b)]，發(fā)現(xiàn)發(fā)色團(tuán)氧雜蒽結(jié)構(gòu)被降解（對應(yīng)=556nm 處吸收帶的持續(xù)降低），吸收譜峰迅速藍(lán)移（對應(yīng)在第240min時譜峰從=556nm 移至546nm），而-脫乙基（對應(yīng)=210nm）和多芳環(huán)（對應(yīng)=330nm）也發(fā)生了開環(huán)反應(yīng)。李攀等通過傅里葉紅外光譜儀（FTIR）發(fā)現(xiàn)，甲基橙的偶氮鍵和苯環(huán)在HC降解過程中被破壞，發(fā)生了脫硫脫甲基反應(yīng)，形成了苯胺和苯磺酸。

圖3 HC降解過程中UV-vis光譜的變化過程

除單獨(dú)應(yīng)用外，HC可與如AC、氧化劑（如芬頓、臭氧）、光催化、類芬頓、光解與電化學(xué)等方法高效協(xié)同，協(xié)同降解效果可達(dá)單獨(dú)使用效果之和的數(shù)倍。由于聲化學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的高壓、高溫條件，強(qiáng)氧化性物質(zhì)以及強(qiáng)湍流的混合作用，大大促進(jìn)了反應(yīng)物（如氧化劑、催化劑）的溶解或混合，加快反應(yīng)速率，強(qiáng)化·OH等自由基的生成，從而極大地提高了降解率，減少了反應(yīng)時間與成本，使HC處理商業(yè)化成為可能。以降解羅丹明B為例（見表1），單獨(dú)使用HC 在最優(yōu)條件下僅可獲得38.7%的降解率，而耦合HO、鐵片、NaOCl、芬頓和TiO可使該數(shù)值分別提升至99.9%、87%、94%、99.72%和91.1%。在協(xié)同處理成本方面，Gogate 等就HC 耦合氧化劑降解卡馬西平給出了代表性的例子：在相同條件下，單純使用HC、O與HO僅在第120min 時分別獲得了38.7%、49.1%和29.4%的降解率；而耦合三者則可在第100min時取得100%的降解率，成本僅略高于單獨(dú)使用HC。

表1 基于HC降解羅丹明B的代表性研究

在協(xié)同機(jī)理探究方面，Choi等基于液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）分析了HC 與SO對雙酚A 的協(xié)同降解機(jī)理：通過從（羥基）雙酚A自由基中去除水，形成（苯氧基）雙酚A自由基后斷裂，最終產(chǎn)生了異丙烯基苯酚和苯氧基自由基，從而完全降解了雙酚A以及親、疏水性的中間產(chǎn)物，避免了有毒副產(chǎn)品的產(chǎn)生。再者，當(dāng)耦合HC 與催化劑時，HC 產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)可持續(xù)沖刷、清洗催化劑表面，使之保持較高催化活性，從而進(jìn)一步促進(jìn)污染物的協(xié)同降解。賈金平等在降解四環(huán)素模擬廢水結(jié)合掃描電鏡（SEM）時發(fā)現(xiàn)：在相同工況下，單獨(dú)HC 只取得了12.2%的降解率；單獨(dú)光催化的降解率為28.1%，這是由于降解中間產(chǎn)物黏附在TiO顆粒表面，使之產(chǎn)生了團(tuán)聚現(xiàn)象[圖4(b)]；而二者耦合時，HC阻止了催化劑的聚團(tuán)[圖4(c)]，降解率也上升至78.2%。LC-MS結(jié)果表明，四環(huán)素的降解途徑可能是其羥基化、脫氨基與其他官能團(tuán)的破壞。

圖4 光催化/HC降解四環(huán)素廢水時TiO2顆粒的SEM圖

隨著研究者對協(xié)同耦合與工藝優(yōu)化的不斷探索，目前HC在小試規(guī)模已實(shí)現(xiàn)了令人滿意的處理效果：在最優(yōu)工況下可對如三氯殺螨醇（耦合HO）、卡馬西平（耦合超聲空化與O）、硫氰化鉀（耦合HO、O與CuO）、4-氯2-氨基苯酚（耦合超聲空化與O）與羅丹明6G（耦合O）等多種模擬廢水分別實(shí)現(xiàn)100%（礦化85%）、100%、96.85%、99.72%與100%（礦化73.19%）的降解率；也可分別去除如染料（耦合芬頓）、木材加工（耦合HO）、酚類（耦合HO與O）、洗衣（耦合O與ZnO）與廚房（耦合HO與O）等真實(shí)廢水中85% （礦化70%）、89% （礦化60%）、60.8%、89.38%與98.25%（礦化76.26%）的化學(xué)需氧量。在實(shí)際應(yīng)用中，HC 模塊可用于難降解廢水的二級前處理或三級深度處理以強(qiáng)化生物降解，達(dá)到效果與成本的平衡，但目前尚無涉及中試及以上規(guī)模的公開報道，亟需對該技術(shù)進(jìn)行放大應(yīng)用與研究?；贖C廢水處理的更多信息可參考王保偉等與Boczkaj團(tuán)隊的綜述文章。

2.2 水力空化強(qiáng)化水消毒過程

化學(xué)水消毒法高效、廉價，應(yīng)用廣泛。消毒劑可與自然界存在的有機(jī)物或污染物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，對人體健康產(chǎn)生不利的影響。因此，很有必要研發(fā)新型綠色消毒技術(shù)對現(xiàn)有方法進(jìn)行替代或輔助。HC 可對細(xì)菌[如大腸埃希氏菌（）、金黃色葡萄球菌、嗜肺軍團(tuán)菌、糞大腸菌、枯草芽孢桿菌與肺炎克雷白氏菌等]、酵母、藻類（如銅綠微藻、柵藻、綠藻與藍(lán)藻等）以及病毒（如MS-2噬菌體）產(chǎn)生滅活作用。其機(jī)理是機(jī)械、熱和化學(xué)三種效應(yīng)的綜合作用：機(jī)械效應(yīng)可使細(xì)胞膜破裂，胞內(nèi)物質(zhì)流出，乃至細(xì)胞失活；局部極高溫可導(dǎo)致細(xì)胞膜變性、DNA鏈斷裂和酶等重要蛋白質(zhì)失活；而高活性的·OH 可氧化細(xì)胞膜、脂質(zhì)與蛋白質(zhì)中的巰基和雙鍵結(jié)構(gòu)，造成不可逆的損傷。Mane等通過透射電鏡（TEM）發(fā)現(xiàn)：經(jīng)60minHC（非旋轉(zhuǎn)式HCR）處理后的金黃色葡萄球菌表面被明顯破壞，導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)流出[圖5(a)]。相關(guān)破壞機(jī)理與Balasundaram和Harrison、Cerecedo等以及Xie等的發(fā)現(xiàn)一致。最近，孫遜等通過SEM 發(fā)現(xiàn)ARHCR 除了破壞表面（粗糙度明顯變大）之外，還可對其長度產(chǎn)生明顯影響（即細(xì)菌被一分為二），破壞效果明顯區(qū)別于非旋轉(zhuǎn)式HCR。此外，還提出了可能的破壞機(jī)理[圖5(b)]，但該機(jī)理仍需借助原子力顯微鏡進(jìn)一步確認(rèn)。在藻類破壞機(jī)理方面，李攀等通過SEM 觀察經(jīng)HC 處理后的銅綠微藻形態(tài)，發(fā)現(xiàn)一些細(xì)胞在處理10min后表面便呈現(xiàn)高度扭曲，失去了球形特征；30min后，幾乎所有細(xì)胞表面均有明顯的破裂；而在60min 后，細(xì)胞開始解體，胞內(nèi)物質(zhì)流出[圖5(c)]。目前唯一利用HC 滅活病毒的研究來自Kosel 等，但其未涉及滅活機(jī)理，亟需深入研究。

圖5 HC對微生物的破壞效果

表2 匯總了近年來基于HC 滅活的代表性研究，結(jié)果表明，ARHCR 的消毒效果與效率均優(yōu)于非旋轉(zhuǎn)式HCR。例如，在取得100%消毒率的前提下，孫遜等提出的ARHCR 較Dalfré Filho等使用的孔板處理效率高2.4倍（分別為4.3L/min和1.33L/min），而單位體積耗電量卻只有后者的不到1/5（分別為0.058kW·h/L 和0.325kW·h/L）。除此之外，相同類型的HCR 在不同研究中所呈現(xiàn)的截然不同的性能說明了HCR結(jié)構(gòu)的重要性。目前，HC 消毒技術(shù)不僅在效果上可行，更重要的是其不產(chǎn)生任何消毒副產(chǎn)物，無異味，較現(xiàn)有氯化等化學(xué)消毒具有優(yōu)勢。再者，HC 還可以作為外部添加模塊與現(xiàn)有化學(xué)法聯(lián)用，提高效果，降低用藥量，從而提高供水質(zhì)量。李子富團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)：單獨(dú)ClO（3mg/L 劑量）取得的消毒效果在耦合AC后僅需一半劑量便可達(dá)到；此外，ClO/AC 耦合將副產(chǎn)物——亞氯酸鹽和氯酸鹽的濃度分別從2.46mg/L和1.37mg/L 降低至0.36mg/L 和0.16mg/L。因此，HC/化學(xué)消毒技術(shù)具有很高的商用可行性，但目前缺乏中試及以上規(guī)模應(yīng)用的先例。關(guān)于HC消毒的更多信息可參考Zupanc等和孫遜等的綜述文章。

表2 HC滅活E.coli的代表性研究

2.3 水力空化強(qiáng)化生物燃料制備過程

生物柴油綠色、環(huán)保，具有獨(dú)特的生物降解性與可再生性，且其熱值幾乎相當(dāng)于化石柴油，是理想的化石柴油替代品。生物柴油的工業(yè)生產(chǎn)以酯交換法為主，HC 現(xiàn)象產(chǎn)生的微小氣泡、機(jī)械效應(yīng)（如微射流）與湍流可使非均相反應(yīng)物（即醇相和油相）間充分混合、乳化，從而大大增加二者接觸面積，降低傳質(zhì)阻力；再者，HC 現(xiàn)象釋放的巨大能量可為反應(yīng)提供所需活化能，也可生成多種自由基，改變反應(yīng)途徑，從而提高酯交換反應(yīng)速率。近來，大功率AC 技術(shù)的發(fā)展掀起了AC 乳化生物柴油的研究熱潮。但直至今日，AC 設(shè)備的放大問題依然是制約其商業(yè)化的主要因素。2006 年，王建黎團(tuán)隊首次以大豆油為原料利用HC 對堿催化制備過程進(jìn)行強(qiáng)化，并對比了其與機(jī)械攪拌、AC的效果，發(fā)現(xiàn)：HC 產(chǎn)生了與AC 相似的強(qiáng)化效果，且其能耗（183W·h/kg）顯著低于其他兩種方法（AC 250W·h/kg，機(jī)械攪拌500W·h/kg）。此后，國內(nèi)外學(xué)者又分別以脂肪酸、烹飪廢油、棕櫚油、向日葵油與菜籽油等為原料利用HC強(qiáng)化酸、堿催化制備過程。以烹飪廢油為原料，為例（見表3），HC 在最優(yōu)工況下短時間通過酸、堿催化分別獲得了最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%和97%的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率，且處理量（最大可達(dá)50L）遠(yuǎn)高于微波與AC。與HC水消毒研究類似，同類HCR在不同研究中展現(xiàn)了巨大的性能差異：以孔板為例，在Ghayal等與Bargole 等的研究中，二者在處理量與效果上相近，但前者的處理所需時間是后者的兩倍，這意味著HCR 的結(jié)構(gòu)同樣對制備效果至關(guān)重要。在產(chǎn)品質(zhì)量與成本方面，Cravotto 團(tuán)隊指出：以棕櫚油和烹飪廢油為原料，利用HC制備的生物柴油各項(xiàng)指標(biāo)均符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)，且脂肪酸甲酯的含量大于99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；其制備能耗為0.03kW·h/L，低于傳統(tǒng)方法。應(yīng)用方面，現(xiàn)有研究證明：由HC制備的生物柴油可與化石柴油按適當(dāng)比例混合后供柴油機(jī)使用，無須任何改裝。雖然柴油機(jī)性能略有下降，但降低了CO、CO的排放，是一種可行的替代燃料。除以油類為原料外，HC 也可強(qiáng)化藻類或浮游生物的油脂提取過程。

表3 以烹飪廢油為原料利用HC制備生物柴油的代表性研究

HC還可用于預(yù)處理如刈草、梓木屑、松木屑、秸稈和甘蔗渣等木制纖維素類生物質(zhì)以加強(qiáng)后續(xù)發(fā)酵工藝：聲化學(xué)效應(yīng)通過有效破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及去除半纖維素與木質(zhì)素成分，增強(qiáng)后續(xù)水解、發(fā)酵過程中纖維素的可及性，從而提高燃料的產(chǎn)率。Terán Hilares等在使用HC預(yù)處理甘蔗渣強(qiáng)化產(chǎn)乙醇的過程中發(fā)現(xiàn)，甘蔗渣纖維素在24h內(nèi)的水解率不到15%；而耦合HC、NaOH 與HO后，24h 后其水解率可達(dá)95.4%。SEM 結(jié)果顯示，未經(jīng)預(yù)處理的甘蔗渣表面呈現(xiàn)出光滑、有序、剛硬的結(jié)構(gòu)特征[圖6(a)左]；而預(yù)處理后，其表面變得粗糙、凹凸不平、松散，使其更容易被酶水解[圖6(a)右]。Ramirez-Cadavid 等將HC 應(yīng)用于玉米乙醇工業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)較未受HC 處理時乙醇產(chǎn)量額外提高2.2%；HC 所需電費(fèi)僅為額外生產(chǎn)的乙醇價值的1/38[圖6(b)]。更多相關(guān)信息可參考Terán Hilares等的綜述文章。此外，HC也可高效降解殼聚糖，黃永春團(tuán)隊近期對此開展了大量研究?？偠灾?，HC 在生物燃料制備上具有相當(dāng)工業(yè)化潛力，但相關(guān)機(jī)理與放大研究仍需進(jìn)一步探索。

圖6 HC預(yù)處理對木制纖維素類生物質(zhì)表面形貌的影響（SEM照片）

3 水力空化反應(yīng)器研究進(jìn)展

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對HCR 的機(jī)理與應(yīng)用研究絕大多數(shù)集中在文丘里管、孔板等傳統(tǒng)非旋轉(zhuǎn)式HCR，其機(jī)理與設(shè)計方法已十分成熟，相關(guān)信息可參考Merzkirch 等的專著，故在此不再贅述。近來出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)獨(dú)特的ARHCR 所誘發(fā)的空化強(qiáng)度較傳統(tǒng)HCR 獲得了大幅躍升，在多種應(yīng)用中展示了遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)HCR 的處理效果與經(jīng)濟(jì)性，具有突出的應(yīng)用潛力。以破解污泥為例，傳統(tǒng)HCR最多僅可獲得30%左右的破解率；而Petkov?ek等提出的ARHCR僅需6min便可對100L污泥取得57%的破解率，且未耦合其他工藝，ARHCR 的先進(jìn)性可見一斑。然而，該類HCR 的理論與設(shè)計方法尚為空白。2007 年，Milly 等首次公開報道了ARHCR，并評價了其對液態(tài)食品的滅菌效果。但該ARHCR采購自Hydrodynamics Inc.公司，這說明ARHCR的商業(yè)化要早于其公開的理論與機(jī)理研究。最近，孫遜等發(fā)現(xiàn)ARHCR 結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)挠绊懀@意味著其結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的重要性，但目前國內(nèi)外關(guān)于ARHCR 的設(shè)備機(jī)理研究匱乏且尚未形成體系，相關(guān)設(shè)備機(jī)理研究總結(jié)如下。

3.1 實(shí)驗(yàn)

Kwon 與Yoon提出了一種相互作用圓盤式ARHCR，通過流動可視化展現(xiàn)了定、轉(zhuǎn)子相互作用誘發(fā)空化的過程，考察了不同泵壓與轉(zhuǎn)速下溫升、熱效率與熱生成率等外特性的變化規(guī)律。Petkov?ek等提出了一種相互作用圓盤式ARHCR，借助流動可視化分析了空化生成過程，研究了不同轉(zhuǎn)速下因氣泡潰滅產(chǎn)生的振動特性。?arc等提出了一種剪切圓盤式ARHCR，通過流動可視化考察了內(nèi)部流場由無空化、附著空化、發(fā)展空化到超空化的演變過程[圖7(a)]。Kosel 等借助空化可視化對一種相互作用圓盤式ARHCR 的內(nèi)部流場在三種不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了分析。孫遜等對Kwon 與Yoon提出的ARHCR 利用流動可視化初步解釋了空化誘發(fā)原理[圖7(b)]，還對其全流量轉(zhuǎn)速工況下的熱生成率、熱效率與能耗進(jìn)行考察，建立了相應(yīng)的模型，并獲得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Gosti?a等對Petkov?ek等提出的設(shè)備在不同流量、轉(zhuǎn)速下壓降、壓力脈動、空化生成等進(jìn)行了研究。以上僅有的研究受限于實(shí)驗(yàn)條件，空化的時空演變規(guī)律需進(jìn)一步探究；僅對單一或若干工況下空化形態(tài)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，尚未對其全流量轉(zhuǎn)速工況下展現(xiàn)的空化特性（渦空化、云空化的時空演變規(guī)律）開展探索；再者，缺乏通過粒子圖像測速對內(nèi)部流場特性的研究；其空化誘發(fā)與演變機(jī)制尚需進(jìn)一步揭示。此外，僅考察了振動與熱等部分外特性，沒有對更能直接表征空化強(qiáng)度的如化學(xué)特性參數(shù)（·OH 生成等）進(jìn)行分析。

圖7 ARHCR空化形態(tài)演變規(guī)律

3.2 數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬方面的研究更為有限（圖8）。Badve 等利用單相非黏性數(shù)值計算對一種剪切滾筒式ARHCR 的流場進(jìn)行了初步探索，分析了不同轉(zhuǎn)速下的壓力場和速度場，并通過碘化鉀分解實(shí)驗(yàn)定性驗(yàn)證了模擬結(jié)果。劉影等結(jié)合Filter based model 湍流模型和Kubota 空化模型研究了Badve等所提出設(shè)備的空化誘發(fā)原理：CGU內(nèi)流體由于離心力作用無法流入CGU 底部即被甩出，導(dǎo)致CGU 內(nèi)部形成低壓區(qū)，使流體在CGU 內(nèi)旋轉(zhuǎn)形成局部渦流，當(dāng)內(nèi)部壓力降低到飽和蒸汽壓時，孔內(nèi)水體迅速從液相轉(zhuǎn)變?yōu)槠?，形成空化，同時不斷地進(jìn)行水汽交換作用；還考察了CGU 的孔徑、孔深、傾角對空泡體積分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律。王勇等采用RNG k-epsilon 湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型研究了Petkov?ek 等所提出的ARHCR 內(nèi)空泡時空演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)生成空泡體積呈周期性變化，且與轉(zhuǎn)子-定子葉齒的交錯周期相吻合。孫遜等基于空化可視化結(jié)果與簡化流場假設(shè)，利用komega SST和Schnerr-Sauer模型，分析了孫遜等所用ARHCR 在單個代表性工況下的壓力場與氣泡形態(tài)的時空演變規(guī)律，初步揭示了其空化誘發(fā)機(jī)制[圖8(a)]。這一研究清楚地表明，與剪切式ARHCR中空化僅于CGU 內(nèi)部生成不同，相互作用式ARHCR 中的云空化和渦空化分別在CGU的下游處和內(nèi)部產(chǎn)生。此外，該類ARHCR 定轉(zhuǎn)子間相互作用使空泡周期性生成與潰滅，極大地提高了空泡潰滅與能量釋放的頻率，這是其與非旋轉(zhuǎn)HCR 的本質(zhì)區(qū)別。此后，孫遜等又基于該方法闡明了CGU的形狀（柱錐、圓柱、非相互作用式、圓錐、半球體五種結(jié)構(gòu)）、直徑、間距、高度與傾角對其空化體積與所需軸功率的影響規(guī)律[圖8(b)]。結(jié)果表明，CGU 結(jié)構(gòu)可對反應(yīng)器性能產(chǎn)生巨大影響，故像現(xiàn)有國外一些公司想當(dāng)然地設(shè)計的產(chǎn)品只適用于實(shí)驗(yàn)室機(jī)理探索，難以實(shí)現(xiàn)真正的工業(yè)化應(yīng)用。因此，建立多種ARHCR 的設(shè)計方法十分必要。然而，以上研究均是對ARHCR 的空化誘發(fā)原理與結(jié)構(gòu)對空化產(chǎn)生影響的初步探索，尚無對全流量轉(zhuǎn)速工況的空化特性、空化強(qiáng)度進(jìn)行系統(tǒng)研究，沒有基于數(shù)值模擬提出內(nèi)特性表征，也沒有對內(nèi)、外特性進(jìn)行耦合關(guān)聯(lián)，其機(jī)理與設(shè)計方法的探索才剛剛開始。此外，為了加快其發(fā)展與應(yīng)用，還需對ARHCR 的相似定律與放大策略等進(jìn)行研究，目前仍是空白。

圖8 相互作用圓盤式ARHCR數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié)語與展望

HC 是一種高效、綠色的化工過程強(qiáng)化技術(shù)，通過耦合氧化劑可有效降解、礦化成分復(fù)雜廢水中的有機(jī)污染物，特別適用于生物難降解工業(yè)廢水的二級預(yù)處理或三級深度處理；對病原微生物高效滅活的特點(diǎn)使其可用于船舶、海上平臺或應(yīng)急用淡水的消毒；其強(qiáng)化生物燃料制備的效率遠(yuǎn)高于微波、AC等手段，且已成功進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。在HCR方面，傳統(tǒng)的HCR結(jié)構(gòu)簡單，便于HC機(jī)理研究；而新興的ARHCR較傳統(tǒng)HCR展現(xiàn)出了性能優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。綜上所述，HC強(qiáng)化技術(shù)的效果較傳統(tǒng)方法呈現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。然而，作為新興技術(shù)的HC目前仍有許多問題亟待解決，結(jié)合文獻(xiàn)分析與筆者研究經(jīng)歷，建議未來在以下四個方面進(jìn)行深入研究。

（1）在應(yīng)用方面，水處理、強(qiáng)化生物柴油制備以及其他絕大多數(shù)應(yīng)用研究中對HC成本與效果的評估均基于小試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，中試及以上規(guī)模的應(yīng)用案例鮮見報道，其工業(yè)應(yīng)用可行性還不明確。此外，目前尚無對HC 工藝的放大效應(yīng)與規(guī)律的探索，未形成工藝設(shè)計方法，制約著其商業(yè)化應(yīng)用。

（2）大多數(shù)應(yīng)用研究過于側(cè)重工藝參數(shù)對效果的影響規(guī)律，而對強(qiáng)化機(jī)理探究的重視不夠。

（3）HCR 的性能至關(guān)重要，但相關(guān)機(jī)理研究（特別是ARHCR）有限。需定量研究其空化時空演變特性，如采用PIV等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)對內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索；還需提出更能直接表征空化強(qiáng)度的表征參數(shù)，以便直接對其性能進(jìn)行評價；也應(yīng)基于實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬手段建立裝備的放大與設(shè)計方法。

（4）HC技術(shù)高度耦合動力工程與工程熱物理、化學(xué)工程與技術(shù)等學(xué)科，學(xué)科交叉特性鮮明。現(xiàn)有絕大多數(shù)研究者為化工或環(huán)工背景，缺乏流體機(jī)械背景學(xué)者的積極參與。為加快該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，應(yīng)有效打破學(xué)科界限，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科合作。