水力空化技術(shù)最新應(yīng)用研究進展

程海濤*，申獻雙

1. 衡水學(xué)院化工學(xué)院（衡水 053000）；2. 衡水學(xué)院美術(shù)學(xué)院（衡水 053000）

水力空化最近作為一種新型高效處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于化工過程、環(huán)境污染治理、生物化工、藥物合成與制劑、食品過程加工、乳液聚合物合成等領(lǐng)域，并且應(yīng)用的領(lǐng)域仍在飛速地擴展[1]。

對水力空化技術(shù)機理、水力空化裝置設(shè)計、水力空化在不同領(lǐng)域應(yīng)用進行了綜述。深入探討了水力空化作用的基本參數(shù)空化數(shù)定義與其影響因素的關(guān)系式，最終得到空化數(shù)計算公式，用于描述空化效應(yīng)，解釋空化效應(yīng)下空化泡的產(chǎn)生、生長、潰滅整個過程。對現(xiàn)有水力空化裝置類型進行了總結(jié)，給出了現(xiàn)有空化裝置結(jié)構(gòu)圖，以及水力空化應(yīng)用工藝流程圖。最后，對于最新水力空化技術(shù)應(yīng)用在不同領(lǐng)域的機理、影響規(guī)律、研究結(jié)果進行了分析、總結(jié)，為水力空化技術(shù)應(yīng)用提供全面的理論、技術(shù)基礎(chǔ)。

1 水力空化理論基礎(chǔ)

不同領(lǐng)域的研究者在研究水力空化技術(shù)應(yīng)用于本領(lǐng)域的過程中，都非常重視利用空化數(shù)（也稱為空化參數(shù)，σ值）作為描述水力空化作用機理、裝置參數(shù)設(shè)計、試驗程序安排等研究內(nèi)容的基礎(chǔ)理論。Saharan等[2]研究說明，水力空化數(shù)在0.13～0.18范圍內(nèi)水力空化技術(shù)的脫色效率最高。Rautjadhav等[3]，試驗研究表明，最佳水力空化數(shù)σ=0.067。Sivakumar等[4]經(jīng)過研究得出較低的空化數(shù)可以提高藥物的降解程度。Badve等[5]研究表明，σ=0.4時COD的降解率最大。Bagal等[6]經(jīng)過研究表明，空化效果最大時，水力空化數(shù)σ=0.1-1。Gogate[7]經(jīng)研究指出，水力空化最初出現(xiàn)時σ=1，當σ小于1時出現(xiàn)強烈空化效應(yīng)。Capocelli等[8]研究揭示，當在去除率和能量效率方面最優(yōu)條件下，σ=0.25。Wang等[9]研究結(jié)果說明，甲草胺降解率與空化數(shù)值有密切的關(guān)系。Gore等[10]研究指出，活性橙4的降解由空化數(shù)和其他參數(shù)決定。Kumar等[11]揭示了空化數(shù)影響化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律。Sawantet等[12]預(yù)測了各種空化裝置中發(fā)生空化時空化數(shù)強度，經(jīng)過研究表明空化數(shù)可作為水力空化裝置性能比較的參數(shù)。Wu等[13]研究了不同形狀空化裝置的空化數(shù)，研究表明空化效應(yīng)出現(xiàn)時σ遠小于1。Filho等[14]利用空化技術(shù)滅活時空化數(shù)σ=0.14。Aroyo等[15]與Mezule等[16]的研究過程僅指出了影響空化裝置的空化數(shù)σ，并未針對其他細節(jié)進行研究。

1.1 水力空化產(chǎn)生機理

水力空化產(chǎn)生機理[1]根源在于：當液體中的壓力下降到低于特定溫度下液體的蒸汽壓力時，液體內(nèi)部出現(xiàn)蒸汽泡。條件如式（1）所示。多數(shù)科研工作者傾向于使用非維度化的數(shù)值，在這種情形下壓力系數(shù)（也稱為歐拉數(shù)）如式（2）所示。結(jié)合式（1）和（2）式，空化首次發(fā)生系數(shù)定義如式（3）所示。如果CP,min被確定，那么參考壓力下首次出現(xiàn)空化參數(shù)P0,cav可被式（4）定義。式（4）取決于幾何形狀，流體，流體溫度和流速。

式中：Pmin是最小靜壓力；PV為液體在給定溫度下的飽和蒸氣壓。

式中：P0和V0是初始壓力和速度。

式中：CP,min為負數(shù)，是幾何和速度的函數(shù)。

1.2 空化數(shù)的定義[1]

Diether Thoma在1920年定義的空化數(shù)是歐拉數(shù)的一種。它是一種無量綱參數(shù)，從那時起被用于評價空化的可能性，空化數(shù)σ如公式（5）所示。任何形式的流體流動，空化與否，都可以歸因于空化數(shù)，其值又取決于幾何形狀、流體、流體溫度和流動速度。 空化首次出現(xiàn)的條件也可寫為式（6）：

降低空化數(shù)值會導(dǎo)致空化現(xiàn)象或已經(jīng)存在空化程度的增加。

1.3 空化效應(yīng)

水力空化效應(yīng)的產(chǎn)生，起源于流體內(nèi)壓力低于飽和蒸氣壓流體汽化產(chǎn)生的氣泡-空化泡，隨著流體壓力繼續(xù)降低、體積繼續(xù)增大，當壓力恢復(fù)到以往壓力時，潰滅時產(chǎn)生的高溫、高壓、強烈的沖擊波及高時速的微射流，會引發(fā)流體流場中出現(xiàn)多種倍加效應(yīng)[17]：（1）瞬間高能量的作用會破壞物質(zhì)化學(xué)鍵形成高能量、高活性自由基，引發(fā)自由基鏈式反應(yīng)，起到強化化學(xué)反應(yīng)過程的作用；（2）由空化數(shù)定義與計算公式可以得出，為了產(chǎn)生空化泡發(fā)生空化效應(yīng)，流體要提高流速達到降低壓力的目的，在流場內(nèi)部產(chǎn)生沖擊流和微射流，產(chǎn)生強烈的擾動機械效應(yīng)，強化了流場內(nèi)部物質(zhì)的擴散與接觸，加速了流體內(nèi)部傳質(zhì)過程；（3）空化泡潰滅產(chǎn)生的局部高溫，會形成局部熱點效應(yīng)，能量會向釋放到周圍空間，能量傳遞過程會破壞分子化學(xué)鍵，使物質(zhì)分子量降低，達到強化物質(zhì)分解的目的。

2 水力空化裝置

水力空化裝置是水力空化工藝中主要組成部分。水力空化裝置設(shè)計機理，基于水力空化的產(chǎn)生即生成空化泡的初始條件，流體的壓力要低于流體飽和蒸氣壓。由空化數(shù)公式（5）推理可知，提高流體速度、流體壓力降低，均會對空化數(shù)產(chǎn)生影響，但是結(jié)合實際情況，水力空化部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計要達到提高流速的目的。

基于以上機理，水力空化裝置主要有渦流空化裝置、多孔板水力空化裝置、文丘里管式空化裝置、撞擊流空化裝置[18]，除了水力空化裝置部件，水力空化工藝流程中還有動力裝置（離心泵），以及相應(yīng)的閥門、體系溫度控制部件，具體圖解分別如圖1和圖2所示。水力空化工藝流程中，水力空化裝置的位置，有兩種形式，分別在管路、浸沒于液面下面。

圖1 水力空化部件結(jié)構(gòu)圖

圖2 水力空化工業(yè)化組合設(shè)計

3 水力空化技術(shù)的應(yīng)用

3.1 降解有機物

水力空化降解有機物機理在于，水力空化產(chǎn)生的高溫、高壓的熱效應(yīng)與產(chǎn)生高活性自由基效應(yīng)，破壞有機化合物化學(xué)鍵或者引起有機化合物自由基鏈式降解反應(yīng)。研究者根據(jù)此原理，研究了水力空化過程中壓力、時間、溫度等因素影響有機物降解的規(guī)律，優(yōu)化操作條件，得到降解有關(guān)有機物的最優(yōu)水力空化工藝。同時，根據(jù)自身降解目標的狀態(tài)與實際情況，設(shè)計了有針對性的水力空化裝置，優(yōu)化了有關(guān)設(shè)計參數(shù)。

盧貴玲等[19]利用孔板水力空化-Fenton試劑協(xié)同體系降解雙酚A。孔徑1 mm、孔板直徑40 cm、孔數(shù)61與Fenton試劑空化降解效果最好；Fe2+濃度越大，強化降解越好；水力空化壓差、過氧化氫對雙酚A的降解效果會出現(xiàn)極值。

鄧冬梅等[20]探討了撞擊流-文丘里管空化組合裝置降解焦化廢水可溶性有機物機理。經(jīng)UV-Vis光譜分析，空化過程中羥基自由基進攻有機物分子中碳碳雙鍵，芳環(huán)結(jié)構(gòu)被破壞，有機物變?yōu)樾》肿踊衔铩?/p>

孔維甸等[21]研究了水力空化強化二氧化氯氧化苯酚的降解機理。降解過程符合一級動力學(xué)規(guī)律；效率提高40%；隨著壓力增大，降解率先增大后減小；增加孔數(shù)、開孔環(huán)狀分布，降解率較高；降解過程從醌類化合物氧化為脂肪酸，最終降解為水和二氧化碳。

鄧橙等[22]研究了多孔孔板水力空化裝置，降解石油廢水的機理及影響因素。羥基自由基，引發(fā)鏈式自由基降解，產(chǎn)物為二氧化碳和水；石油廢水有機物的去除效率為84.28%，不引發(fā)二次污染；奠定了水力空化、吸附、膜分離協(xié)同處理石油廢水理論基礎(chǔ)。

徐美娟等[23]利用水力空化-Fenton試劑協(xié)同處理廢紙制漿廢水，研究孔板特性參數(shù)對廢水降解效果的影響。降解制漿廢水符合一級反應(yīng)動力學(xué)方程；過流率相同，縮小孔徑提高降解效果；交錯式孔口布局強化空化均勻分布；空化降解存在臨界空化數(shù)。

3.2 水力空化物理改性

水力空化物理改性，是指物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化所需要的能量或活性物質(zhì)，是由流體物理性質(zhì)改變而引發(fā)的，水力空化過程中，流體經(jīng)過水力空化裝置，流速增加壓力低于液體飽和蒸氣壓而產(chǎn)生的空化泡，空化泡隨流體流動而生長、潰滅，產(chǎn)生強大能量場，從而引發(fā)物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。

任仙娥等[24]通過渦流空化裝置，研究水力空化對大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)的影響。水力空化處理樣品30 min乳化性、起泡性達到最大值；水力空化有利于功能蛋白的改性，有工業(yè)化的成本、操作、能耗的優(yōu)勢。

黃永春等[25]研究水力空化強化亞硫酸鈣澄清原糖液過程中脫色效果。自行設(shè)計了渦流空化裝置；強化亞硫酸鈣脫色原糖液效果顯著，脫色率提高9.7%；優(yōu)化工藝為空化時間5 s、壓力0.1 MPa、溫度50 ℃。

黃永春等[26]研究了水力空化對原糖溶液表面張力的影響，拓展了在制糖工業(yè)的應(yīng)用。渦流水力空化作用初始表面張力顯著下降；原糖溶液表面張力隨水力空化溫度下降、水力空化壓力增加、原糖溶液濃度提高而降低。

3.3 水力空化滅活微生物

水力空化殺菌滅活微生物，機理在于水力空化產(chǎn)生的熱效應(yīng)、沖擊效應(yīng)等物理效應(yīng)破壞了微生物的細胞結(jié)構(gòu)，使微生物細胞代謝過程受到影響，抑制微生物繁殖，達到滅活、殺菌的效果。

董志勇等[27]將方孔多孔板與文丘里串聯(lián)，滅活自來水中總菌落與大腸桿菌。25方孔交錯設(shè)計、喉部300 mm、出口角度4.3°串聯(lián)空化裝置滅活效果最理想；水力空化時間20 min滅活效果達到極值。

李大慶等[28]將三角孔多孔板與文丘里管空化裝置組合，對勝利河原水進行滅活研究。單位面積孔口越多滅菌效率越高；交錯式優(yōu)于棋盤式空化效果；交錯排列式孔板與文丘里組合滅活效果最優(yōu)。

王磊等[29]研制了可變擴散角的文丘里管，用于殺滅水中微生物。提高喉部流速，降低空化數(shù)，提高殺滅微生物效率；空化效果最佳參數(shù)：擴散角α=4.3°，擴散段450 mm，流速30.70 m/s。

田一平等[30]研究了常壓電離放電協(xié)同水力空化滅活飲用水機理。空化過程中高濃度氧自由基是殺菌凈化的根源；最優(yōu)強電離放電工藝參數(shù)：時間3～10 s、功率160 W、自由基質(zhì)量濃度0.8～1.2 mg/L。

葉德寧等[31]設(shè)計了水力空化-電解耦合設(shè)備。流體經(jīng)空化裝置直接撞擊電極板提高電子傳遞效率。水力空化-電解耦合破壞藻類細胞超微結(jié)構(gòu)，細胞壁與細胞質(zhì)剝落、溶化，達到抑藻效果。

3.4 水力空化強化化合物的制備

有機化合物的合成過程需要分子間有效的接觸距離與接觸頻率，水力空化的空化效應(yīng)在流體流場內(nèi)部產(chǎn)生沖擊流和微射流，產(chǎn)生強烈的擾動機械效應(yīng)，強化了流場內(nèi)部物質(zhì)的擴散與接觸，加速了流體內(nèi)部傳質(zhì)過程，尤其是對互不相溶的兩相反應(yīng)過程強化效果更為顯著。

張昆明等[32]設(shè)計了強化離子交聯(lián)法制備殼聚糖抗菌微粒過程的文丘里管。裝置參數(shù)入口直徑15 mm、出口直徑20 mm、縮段10.2 mm、喉管段12 mm、擴張段長度18 mm、喉管直徑3.2 mm。最優(yōu)工藝：壓力0.2 MPa、時間20 min、質(zhì)量濃度3.0 g/L、TPP-殼聚糖6∶15、MIT 0.5 mmol/L，微粒粒徑均勻、分散性好、粒徑更細、包封率更高。

陳衛(wèi)等[33]自行設(shè)計了一種用于強化液-液非均相反應(yīng)體系制備化合物的水力空化裝置。水力空化微觀混合，克服了機械攪拌過程中旋渦的出現(xiàn)，產(chǎn)率提高，能耗降低，時間縮短。通過正交試驗，對環(huán)氧大豆油制備的工藝條件進行了優(yōu)化。

俞云良等[34]利用孔板水力空化，強化高芥酸菜籽油、甲醇/KOH制備芥酸甲酯與脂肪酸甲酯。通過增強醇-油不相溶體系的乳化效果，增加兩相的接觸機會與面積，加快傳質(zhì)速率，提高產(chǎn)率；反應(yīng)時間縮減50%，產(chǎn)率提高5%，原料利用率接近100%。

3.5 水力空化過程的數(shù)值模擬

為了研究水力空化過程有關(guān)流場、空化泡分布特征，利用有關(guān)數(shù)學(xué)模型、有關(guān)模擬軟件、現(xiàn)代化成像觀測儀器，對水力空化現(xiàn)象進行觀測、仿真模擬、進行數(shù)學(xué)計算，得到體現(xiàn)有關(guān)流場變化規(guī)律的模型，最終利用實際水力空化試驗對進行模型進行驗證，最終確定有關(guān)公式。

張赟閣等[35]利用二維軸對稱模型，模擬文丘里水力空化流動流場特性。空化壓力比值小于0.7產(chǎn)生顯著空化現(xiàn)象，流量變化不明顯；含氣率隨空化壓力比值增大而減小，大于0.2時含氣率穩(wěn)定在一數(shù)值范圍內(nèi)，等于0.2出現(xiàn)周期性變化。

李改鋒等[36]利用Fluent軟件模擬自制文丘里管流體內(nèi)部場的分布。壓力從收縮段0.295 MPa到喉部-0.071 MPa下游擴大段0.086 MPa；收縮段流速增加到27.79 m/s擴大段含氣率95%；模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本一致；利用苯酚降解對模擬結(jié)果進行了驗證。

陶躍群等[37]建立了空化裝置下游湍流流場空化泡運動驅(qū)動壓力、空化泡運動模型，參數(shù)為黏性、可壓縮性、表面張力、水分子擴散、導(dǎo)熱性；再現(xiàn)流體流動方向空化泡產(chǎn)生、生長、潰滅等全過程。利用FactSage軟件，經(jīng)數(shù)值求解方法得到溫度、水分子數(shù)、壓力參數(shù)，分析與計算得到羥基自由基的數(shù)量。

劉影等[38]利用數(shù)值計算法，討論孔結(jié)構(gòu)影響空化流動，研究內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化機理。內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化機理是轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)造成負壓；傾斜角增大，空化效果減弱，水氣交換效果增強。

滿海濤等[39]利用FULENT軟件模擬了高壓空化液體內(nèi)部、噴嘴內(nèi)部流場。分析不同空化壓力流場分布、含氣率規(guī)律；隨著水力空化入口壓力的增大，空化流場流速最大值以及液體其含率都逐步增大。

沈壯志等[40]通過模擬計算水力空化泡徑向流動非線性方程，得到空化泡產(chǎn)生、生長、潰滅過程的特性。湍流狀態(tài)，空化呈現(xiàn)瞬間規(guī)律；空化泡生成半徑越小，壓力脈沖越強烈，入口壓力存在最佳值。

章昱等[41]利用k-ω湍流模型，模擬空化區(qū)域空化數(shù)、含氣率。經(jīng)實際試驗、高速成像說明實際分布規(guī)律與模擬一致；還對水力空化效果進行了模擬，提高入口壓力、降低液體密度、減小液體黏度、適度增加含氣率、減小孔徑有利于空化效果的提升。

黃永春等[42]利用Gilmore空泡運動方程，模擬殼聚糖溶液空化泡產(chǎn)生、生長、潰滅動力學(xué)特性參數(shù)。初始空化泡直徑越小空化效果越強烈；提高孔板入口壓力、降低孔板出口壓力、減小孔板喉部直徑、增長孔板下游擴散段長度、提高體系溫度、降低溶液濃度有利于空化效應(yīng)的產(chǎn)生。

3.6 水力空化動力學(xué)研究

有關(guān)水力空化動力學(xué)研究主要集中于水力空化效應(yīng)強化化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究、水力空化有關(guān)影響因素變化規(guī)律的動力學(xué)研究、降解有機化合物動力學(xué)研究，為水力空化技術(shù)的應(yīng)用、水力空化裝置設(shè)計提供理論支持與遵循。

張銳等[43]對多孔孔板水力空化降解亞甲基藍動力學(xué)進行了研究。水力空化降解亞甲基藍與一級動力學(xué)規(guī)律一致，多孔孔板水力空化器空化效果優(yōu)于單孔水力空化器，孔板空化器孔越多，降解速率越大。

沈壯志等[44]對超聲波影響文丘里管空化泡動力學(xué)特性進行了數(shù)值研究。湍流使空化泡運動呈現(xiàn)瞬間無規(guī)律變化；超聲聲壓對空化泡成長過程影響不大，引發(fā)多次回彈脈沖；恰當?shù)念l率穩(wěn)定空化效果與空化泡運動。

蔡軍等[45]對湍流流動條件下空化泡溫度進行了動力學(xué)研究。空化泡潰滅熱效應(yīng)，源于空化泡徑向較大溫度梯度變化與空化泡外形成的熱邊界層；空化泡穩(wěn)定半徑越小潰滅熱效應(yīng)越高；熱效應(yīng)溫度隨入口壓力升高而提升。

葉晉等[46]在多孔板下游安裝了管道泵，設(shè)計了新型水力空化裝置。研究下游壓力變化影響水力空化效果。管道泵使孔板下游呈現(xiàn)負壓區(qū)，水力空化效果并未提高；理論分析孔板下游壓力越小空化泡形成越多，管道泵的啟動雖然降低了壓力，但是無法減小回流現(xiàn)象，空化泡來不及潰滅被管道泵帶走，缺失潰滅過程，空化效應(yīng)減少。

王惠敏等[47]研究液體雷諾系數(shù)與水力空化數(shù)的關(guān)系。雷諾系數(shù)與水力空化數(shù)關(guān)系為CV=K×，雷諾系數(shù)增大水力空化數(shù)減小；得到孔板壓強與流速的關(guān)系，為優(yōu)化水力空化操作條件提供理論依據(jù)。

4 結(jié)語

水力空化技術(shù)作為新興、高效過程處理技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于化工、過程工業(yè)、污水處理等領(lǐng)域。針對水力空化的機理、水力空化基礎(chǔ)理論、水力空化裝置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、水力空化流場數(shù)值模擬計算、水力空化過程仿真模擬等方面進行了深入、有成效的研究，得出了有應(yīng)用價值的研究結(jié)論。水力空化技術(shù)的進一步應(yīng)用，需要在水力空化理論上進行深入探究，探索水力空化過程具有的新型效應(yīng)，針對水力空化過程產(chǎn)生的現(xiàn)象進行科學(xué)的解釋并進行科學(xué)定義，為水力空化技術(shù)的深入研究與應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)。