水力空化聲發(fā)射特性及其對(duì)硫離子處理效果的影響

桑勛源，張新軍，趙曉鋒

(1.青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東青島 266101；2.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 257000)

水力空化是一種獨(dú)特的水力現(xiàn)象，可以通過類似孔板[1-2]、文丘里管[3-4]、閥門[5]的節(jié)流件產(chǎn)生，甚至泵[6]和渦輪[7-8]也會(huì)產(chǎn)生水力空化。當(dāng)流體經(jīng)過節(jié)流部位時(shí)，隨著壓力的降低，流體流速增大。當(dāng)壓力由于節(jié)流降低到產(chǎn)生空化的壓力(通常是運(yùn)行環(huán)境溫度下的飽和蒸氣壓)時(shí)，空化氣泡就會(huì)產(chǎn)生。在節(jié)流口的下游，又隨著流通面積的增大，壓力開始回升，這就導(dǎo)致了空化氣泡的潰滅[9]?？张菰跐邕^程中會(huì)產(chǎn)生高溫高壓的極端條件[10]，并打開水分子鍵，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的·OH及H2O2。

利用水力空化的物理特性及化學(xué)特性可進(jìn)行有機(jī)物、細(xì)菌、病毒等污水中有害物質(zhì)的處理[11-12]。Jyoti等[13]研究了臭氧與聲空化、水力空化、過氧化氫等單獨(dú)或耦合處理各種細(xì)菌的效果，發(fā)現(xiàn)聲空化及水力空化皆可單獨(dú)處理氧化細(xì)菌，并且可以耦合臭氧達(dá)到更優(yōu)處理效果。馮高坡等[14]進(jìn)行了臭氧聯(lián)合水力空化去除油田污水COD的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔板作為空化發(fā)生器時(shí)，更大的過流面積可以更好地增加水力空化對(duì)COD的去除效果。

在水力空化產(chǎn)生的過程中，還會(huì)伴有獨(dú)特的聲發(fā)射信號(hào)[15]。利用FFT處理聲發(fā)射信號(hào)，可以得到水力空化聲發(fā)射信號(hào)的主要頻率及振幅[16]。鄭文軍[17]通過對(duì)Ecowirl空化器的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行FFT處理后，提出聲壓信號(hào)是由空化泡潰滅產(chǎn)生的，且空泡潰滅處的聲壓幅值遠(yuǎn)大于非空化處的檢測(cè)值。吳鵬飛等[18]通過對(duì)比聲-流耦合空化與單獨(dú)聲空化及單獨(dú)水力空化的聲信號(hào)頻率及幅值，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)表明了3種空化之間的強(qiáng)度關(guān)系。在水力空化的聲發(fā)射信號(hào)研究中，不同條件下的空化噪聲譜是不盡相同的，要找出空化噪聲譜之間的規(guī)律性，還需進(jìn)行更多的試驗(yàn)及理論研究[19]。而將水力空化的氧化性能與聲學(xué)特性進(jìn)行對(duì)比分析的相關(guān)研究少之又少，如馮中營(yíng)[15]研究了水力空化的聲發(fā)射特性及其對(duì)羅丹明B的氧化處理效果，但未能明確兩者之間的規(guī)律。本文對(duì)水力空化的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了采集，并將水力空化用于對(duì)含硫污水中硫離子的氧化處理，尋求兩者之間的關(guān)系及其受到孔板結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律，為水力空化特性研究提供理論試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置如圖1所示。整體試驗(yàn)管路管徑為20 mm，試驗(yàn)污水靜置在100 L污水罐中，污水罐外設(shè)水浴套管進(jìn)行降溫，以防止水力空化及泵造成的溫度升高。管路中使用多級(jí)離心泵進(jìn)行流體加壓，通過流量計(jì)下游的閥門V5、V6進(jìn)行流量及壓力的調(diào)節(jié)。試驗(yàn)孔板安裝在電磁流量計(jì)下游，在孔板上游10 cm及下游30 cm處設(shè)置壓力變送器進(jìn)行壓力的監(jiān)控，并在孔板下游10 cm處設(shè)置聲發(fā)射傳感器采集聲發(fā)射信號(hào)，取樣口則位于傳感器下游60 cm處。

注：1-污水罐；2-污水出口；3-多級(jí)離心泵；4-電磁流量計(jì)；5、8-壓力變送器；6-孔板；7-聲發(fā)射傳感器；9-取樣口圖1 水力空化裝置Fig.1 Hydraulic Cavitation Device

試驗(yàn)使用的孔板發(fā)生器為有機(jī)玻璃材質(zhì)，厚度為10 mm，并設(shè)置7種不同結(jié)構(gòu)孔板，孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其中，孔板1、2、3為開孔直徑不同的單孔孔板；孔板1、4、5、6為孔徑為2 mm、開孔數(shù)不同的孔板；孔板3、4、7則為過流面積相同而開孔直徑不同的孔板。

表1 試驗(yàn)孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of Orifice Plates Structure

1.2 試驗(yàn)方法

聲發(fā)射采集試驗(yàn)中的管路用水為自來水，水力空化處理含硫污水試驗(yàn)中的污水為配置的模擬污水，模擬污水通過分析純的九水硫化鈉晶體和蒸餾水配制而成。

本文所述的試驗(yàn)在30 ℃溶液中進(jìn)行，進(jìn)口壓力為200～600 kPa，pH值為11。聲發(fā)射數(shù)據(jù)通過美國(guó)PAC公司的WD聲發(fā)射傳感器(最高響應(yīng)頻率為1 000 kHz，諧振頻率為125 kHz)進(jìn)行采集，采集時(shí)間為20 s，利用SAEU2S型聲發(fā)射儀將采集的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳輸至電腦。水力空化處理含硫污水試驗(yàn)中，每組試驗(yàn)污水處理量為30 L，初始質(zhì)量濃度設(shè)計(jì)值約為100 mg/L，處理時(shí)長(zhǎng)為60 min，每10 min進(jìn)行1次采樣。

圖3 400 kPa進(jìn)口壓力下不同孔板的聲信號(hào)頻譜Fig.3 AE Amplitude Spectrum of Orifice Plates under the Inlet Pressure of 400 kPa

1.3 分析方法

試驗(yàn)中采集到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)使用FFT進(jìn)行處理。硫離子濃度通過日本島津公司生產(chǎn)的紫外分光光度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。首先確定了硫離子對(duì)紫外光的最大吸收波長(zhǎng)為224.4 nm，然后配制不同濃度Na2S標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定，最終確定的可測(cè)量質(zhì)量濃度為0～15 mg/L(圖2)。每次試驗(yàn)的樣品皆添加BaCl2溶液以排除BaSO4沉淀對(duì)樣品檢測(cè)的干擾，并添加NaOH溶液將樣品pH值調(diào)節(jié)至11以上，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 硫化鈉溶液吸光度曲線Fig.2 Spectrophotometric Curve of Na2S Standard Solution

2 結(jié)果與討論

2.1 開孔直徑對(duì)水力空化的影響

本文對(duì)水力空化在200～600 kPa進(jìn)口壓力下的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了采集及處理。為了更直觀地比較不同孔板結(jié)構(gòu)下的聲發(fā)射特性，對(duì)每種孔板在400 kPa進(jìn)口壓力下的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)分析。圖3為開孔數(shù)相同、開孔直徑不同的孔板1、2、3在進(jìn)口壓力400 kPa下的聲信號(hào)頻譜。由圖3可知，水力空化過程中產(chǎn)生了明顯可以測(cè)量的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)，且頻率在17～50 kHz，主峰值頻率則在20 kHz以上，高于人耳可以聽到的最高頻率20 kHz。因此，僅憑人耳聽到的聲音并不能準(zhǔn)確判斷水力空化的強(qiáng)度或空泡潰滅強(qiáng)度。同時(shí)，隨著開孔直徑的增大，聲信號(hào)的整體幅值會(huì)隨之增大，而主峰值的頻率分布則較廣，具有一定的相似性。

圖5 400 kPa進(jìn)口壓力下不同孔板的聲信號(hào)頻譜Fig.5 AE Amplitude Spectrum of Orifice Plates under the Inlet Pressure of 400 kPa

3種不同孔板產(chǎn)生的水力空化對(duì)含硫污水中硫離子的去除量如圖4所示。在相同的處理時(shí)間下，隨著孔板開孔直徑的增大，水力空化對(duì)含硫污水中硫離子的去除效果隨之增強(qiáng)，硫離子去除量從0.1 g提升至0.9 g。Rajoriya等[20]進(jìn)行了圓形及方形單孔板的水力空化處理活性藍(lán)13的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著圓形孔板的孔徑增大，或單孔板的過流面積增大，活性藍(lán)13的去除率會(huì)隨之升高，與本文的結(jié)果相吻合。這一趨勢(shì)與聲信號(hào)幅值隨孔徑變化的趨勢(shì)相同?？张莸臐鐣?huì)產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑·OH及H2O2，進(jìn)而影響水力空化處理含硫污水的能力。分析認(rèn)為，水力空化聲信號(hào)的產(chǎn)生主要源于空泡的潰滅，而聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度反映了水力空化對(duì)硫離子處理能力的強(qiáng)弱。

圖4 孔徑對(duì)硫離子去除量的影響Fig.4 Effect of Aperture on Sulfide Iron Removal

2.2 開孔數(shù)對(duì)水力空化的影響

圖5為開孔數(shù)不同、開孔直徑相同的孔板4、5、6在400 kPa進(jìn)口壓力下的聲信號(hào)頻譜。結(jié)合孔板1的頻譜可以看出，同一進(jìn)口壓力下，水力空化聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨著開孔數(shù)的增多而增大。據(jù)此可以預(yù)測(cè)，硫離子的處理效果亦會(huì)隨著開孔數(shù)的增多而增強(qiáng)。

圖6為開孔數(shù)不同的4種孔板對(duì)含硫污水中硫離子的去除量。在相同處理時(shí)間內(nèi)，開孔數(shù)為1個(gè)、4個(gè)、8個(gè)的孔板，硫離子去除量隨著開孔數(shù)的增多而增大，與水力空化聲發(fā)射信號(hào)的振幅隨開孔數(shù)增多而變化的趨勢(shì)相一致。但當(dāng)繼續(xù)增大開孔數(shù)時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)具有更高振幅的孔板6則不一定具有更強(qiáng)的硫離子處理能力。Sivakumar等[21]和Balasundaram等[22]的試驗(yàn)就得出了污水處理效果會(huì)隨著開孔數(shù)增多而增強(qiáng)的結(jié)論。王偉民[23]測(cè)量了不同開孔數(shù)的多孔孔板對(duì)氯仿的降解效果，發(fā)現(xiàn)氯仿的降解率隨著開孔數(shù)的增多而先增大后減小，與本文得到的試驗(yàn)結(jié)果具有一定的一致性。通過對(duì)比不同孔板對(duì)硫離子的處理效果發(fā)現(xiàn)，盡管不同孔板在聲發(fā)射信號(hào)的幅值及頻率上有所差別，但硫離子的最高去除量都在0.9 g附近。分析認(rèn)為，當(dāng)管徑相同、孔板厚度相同時(shí)，孔板對(duì)硫離子的處理效果存在上限，這是由于水力空化產(chǎn)生的·OH的產(chǎn)量具有最高值，Tao等[24]測(cè)得的空化產(chǎn)生的·OH最多，為1.274 3×10-4mol/(m3·s1)。

圖6 開孔數(shù)對(duì)硫離子去除量的影響Fig.6 Effect of Numbers of Holes on Sulfide Iron Removal

2.3 相同過流面積、不同開孔直徑孔板的對(duì)比

圖7為400 kPa進(jìn)口壓力下孔板7的聲信號(hào)頻譜。對(duì)比過流面積相同而開孔直徑不同的孔板3、4的聲信號(hào)頻譜圖可以看出，孔板7的聲信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)，孔板4的聲信號(hào)強(qiáng)度最弱。

圖7 400 kPa進(jìn)口壓力下孔板7的聲信號(hào)頻譜Fig.7 AE Amplitude Spectrum of Orifice Plate 7 under the Inlet Pressure of 400 kPa

過流面積相同而開孔直徑不同的孔板3、4、7對(duì)硫離子的去除量如圖8所示。單孔孔板3的硫離子的去除量最大，而多孔孔板的硫離子去除量則隨著開孔數(shù)的增多而增大。Sivakumar等[21]利用多孔孔板處理羅丹明B的試驗(yàn)，就得出了相同的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)在給定的過流面積下，越多的開孔數(shù)及越小的孔徑會(huì)有更好的去除效果，與本文的結(jié)果相一致。Balasundaram等[22]利用多孔孔板進(jìn)行細(xì)胞的降解試驗(yàn)亦得出了相同的結(jié)論。對(duì)比3種孔板的聲信號(hào)頻譜圖可以看出，孔板3、4的聲信號(hào)頻譜圖的幅值變化規(guī)律與硫離子處理效果的強(qiáng)弱相對(duì)應(yīng)。而聲信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的孔板7則不具有更強(qiáng)的硫離子處理效果，分析認(rèn)為孔板7的高聲信號(hào)幅值是由過窄的孔徑引起的。

圖8 相同過流面積時(shí)開孔直徑對(duì)硫離子去除量的影響Fig.8 Effect of Aperture on Sulfide Iron Removal at the Same Overcurrent Area

3 結(jié)論

本文綜合討論了水力空化的聲發(fā)射特性及其對(duì)含硫污水中硫離子處理能力的影響。通過改變孔板結(jié)構(gòu)及水力空化進(jìn)口壓力，并對(duì)水力空化聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)水力空化空泡的潰滅是產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的主要原因之一。

最終，水力空化處理含硫污水的試驗(yàn)證明了水力空化可以處理含硫污水中的硫離子。結(jié)合水力空化的聲發(fā)射特性得出以下結(jié)論。

(1)在相同的過流面積下，增大多孔孔板的開孔數(shù)可以增大硫離子的去除量，而選擇單孔孔板作為空化發(fā)生器可以得到更佳的硫離子處理效果，且硫離子處理效果隨聲發(fā)射信號(hào)幅值(除1 mm孔徑孔板)的增加而增加。

(2)增大單孔板的開孔直徑可增大聲發(fā)射信號(hào)的幅值，同時(shí)硫離子處理效果亦得到增強(qiáng)。

(3)在相同的開孔直徑下，增大孔板打孔數(shù)可以增大聲發(fā)射信號(hào)的幅值，進(jìn)而使得硫離子的處理效果得到增強(qiáng)。

(4)僅通過調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力及孔板開孔結(jié)構(gòu)對(duì)提升水力空化處理硫離子的能力是有上限的。

(5)通過對(duì)聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，分析其主波峰的振幅，可以預(yù)測(cè)2 mm孔徑及以上孔板的水力空化處理硫離子的能力。