水力空化聲發射特性及其對硫離子處理效果的影響

桑勛源，張新軍，趙曉鋒

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

水力空化是一種獨特的水力現象，可以通過類似孔板[1-2]、文丘里管[3-4]、閥門[5]的節流件產生，甚至泵[6]和渦輪[7-8]也會產生水力空化。當流體經過節流部位時，隨著壓力的降低，流體流速增大。當壓力由于節流降低到產生空化的壓力(通常是運行環境溫度下的飽和蒸氣壓)時，空化氣泡就會產生。在節流口的下游，又隨著流通面積的增大，壓力開始回升，這就導致了空化氣泡的潰滅[9]。空泡在潰滅過程中會產生高溫高壓的極端條件[10]，并打開水分子鍵，產生具有強氧化性的·OH及H2O2。

利用水力空化的物理特性及化學特性可進行有機物、細菌、病毒等污水中有害物質的處理[11-12]。Jyoti等[13]研究了臭氧與聲空化、水力空化、過氧化氫等單獨或耦合處理各種細菌的效果，發現聲空化及水力空化皆可單獨處理氧化細菌，并且可以耦合臭氧達到更優處理效果。馮高坡等[14]進行了臭氧聯合水力空化去除油田污水COD的研究，發現當孔板作為空化發生器時，更大的過流面積可以更好地增加水力空化對COD的去除效果。

在水力空化產生的過程中，還會伴有獨特的聲發射信號[15]。利用FFT處理聲發射信號，可以得到水力空化聲發射信號的主要頻率及振幅[16]。鄭文軍[17]通過對Ecowirl空化器的聲發射信號進行FFT處理后，提出聲壓信號是由空化泡潰滅產生的，且空泡潰滅處的聲壓幅值遠大于非空化處的檢測值。吳鵬飛等[18]通過對比聲-流耦合空化與單獨聲空化及單獨水力空化的聲信號頻率及幅值，發現聲發射信號表明了3種空化之間的強度關系。在水力空化的聲發射信號研究中，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律性，還需進行更多的試驗及理論研究[19]。而將水力空化的氧化性能與聲學特性進行對比分析的相關研究少之又少，如馮中營[15]研究了水力空化的聲發射特性及其對羅丹明B的氧化處理效果，但未能明確兩者之間的規律。本文對水力空化的聲發射信號進行了采集，并將水力空化用于對含硫污水中硫離子的氧化處理，尋求兩者之間的關系及其受到孔板結構影響的規律，為水力空化特性研究提供理論試驗依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗裝置如圖1所示。整體試驗管路管徑為20 mm，試驗污水靜置在100 L污水罐中，污水罐外設水浴套管進行降溫，以防止水力空化及泵造成的溫度升高。管路中使用多級離心泵進行流體加壓，通過流量計下游的閥門V5、V6進行流量及壓力的調節。試驗孔板安裝在電磁流量計下游，在孔板上游10 cm及下游30 cm處設置壓力變送器進行壓力的監控，并在孔板下游10 cm處設置聲發射傳感器采集聲發射信號，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-多級離心泵；4-電磁流量計；5、8-壓力變送器；6-孔板；7-聲發射傳感器；9-取樣口圖1 水力空化裝置Fig.1 Hydraulic Cavitation Device

試驗使用的孔板發生器為有機玻璃材質，厚度為10 mm，并設置7種不同結構孔板，孔板結構參數如表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 試驗孔板結構參數Tab.1 Parameters of Orifice Plates Structure

1.2 試驗方法

聲發射采集試驗中的管路用水為自來水，水力空化處理含硫污水試驗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。

本文所述的試驗在30 ℃溶液中進行，進口壓力為200～600 kPa，pH值為11。聲發射數據通過美國PAC公司的WD聲發射傳感器(最高響應頻率為1 000 kHz，諧振頻率為125 kHz)進行采集，采集時間為20 s，利用SAEU2S型聲發射儀將采集的信號進行轉換并傳輸至電腦。水力空化處理含硫污水試驗中，每組試驗污水處理量為30 L，初始質量濃度設計值約為100 mg/L，處理時長為60 min，每10 min進行1次采樣。

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

1.3 分析方法

試驗中采集到的聲發射數據使用FFT進行處理。硫離子濃度通過日本島津公司生產的紫外分光光度計進行檢測。首先確定了硫離子對紫外光的最大吸收波長為224.4 nm，然后配制不同濃度Na2S標準溶液進行標定，最終確定的可測量質量濃度為0～15 mg/L(圖2)。每次試驗的樣品皆添加BaCl2溶液以排除BaSO4沉淀對樣品檢測的干擾，并添加NaOH溶液將樣品pH值調節至11以上，保證測量結果的準確性。

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

2 結果與討論

2.1 開孔直徑對水力空化的影響

本文對水力空化在200～600 kPa進口壓力下的聲發射信號進行了采集及處理。為了更直觀地比較不同孔板結構下的聲發射特性，對每種孔板在400 kPa進口壓力下的聲發射信號進行單獨分析。圖3為開孔數相同、開孔直徑不同的孔板1、2、3在進口壓力400 kPa下的聲信號頻譜。由圖3可知，水力空化過程中產生了明顯可以測量的聲發射信號數據，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確判斷水力空化的強度或空泡潰滅強度。同時，隨著開孔直徑的增大，聲信號的整體幅值會隨之增大，而主峰值的頻率分布則較廣，具有一定的相似性。

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

3種不同孔板產生的水力空化對含硫污水中硫離子的去除量如圖4所示。在相同的處理時間下，隨著孔板開孔直徑的增大，水力空化對含硫污水中硫離子的去除效果隨之增強，硫離子去除量從0.1 g提升至0.9 g。Rajoriya等[20]進行了圓形及方形單孔板的水力空化處理活性藍13的試驗，發現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13的去除率會隨之升高，與本文的結果相吻合。這一趨勢與聲信號幅值隨孔徑變化的趨勢相同。空泡的潰滅會產生強氧化劑·OH及H2O2，進而影響水力空化處理含硫污水的能力。分析認為，水力空化聲信號的產生主要源于空泡的潰滅，而聲發射信號的強度反映了水力空化對硫離子處理能力的強弱。

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

2.2 開孔數對水力空化的影響

圖5為開孔數不同、開孔直徑相同的孔板4、5、6在400 kPa進口壓力下的聲信號頻譜。結合孔板1的頻譜可以看出，同一進口壓力下，水力空化聲發射信號的強度會隨著開孔數的增多而增大。據此可以預測，硫離子的處理效果亦會隨著開孔數的增多而增強。

圖6為開孔數不同的4種孔板對含硫污水中硫離子的去除量。在相同處理時間內，開孔數為1個、4個、8個的孔板，硫離子去除量隨著開孔數的增多而增大，與水力空化聲發射信號的振幅隨開孔數增多而變化的趨勢相一致。但當繼續增大開孔數時，聲發射信號具有更高振幅的孔板6則不一定具有更強的硫離子處理能力。Sivakumar等[21]和Balasundaram等[22]的試驗就得出了污水處理效果會隨著開孔數增多而增強的結論。王偉民[23]測量了不同開孔數的多孔孔板對氯仿的降解效果，發現氯仿的降解率隨著開孔數的增多而先增大后減小，與本文得到的試驗結果具有一定的一致性。通過對比不同孔板對硫離子的處理效果發現，盡管不同孔板在聲發射信號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。分析認為，當管徑相同、孔板厚度相同時，孔板對硫離子的處理效果存在上限，這是由于水力空化產生的·OH的產量具有最高值，Tao等[24]測得的空化產生的·OH最多，為1.274 3×10-4mol/(m3·s1)。

圖6 開孔數對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比

圖7為400 kPa進口壓力下孔板7的聲信號頻譜。對比過流面積相同而開孔直徑不同的孔板3、4的聲信號頻譜圖可以看出，孔板7的聲信號強度最強，孔板4的聲信號強度最弱。

圖7 400 kPa進口壓力下孔板7的聲信號頻譜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的增多而增大。Sivakumar等[21]利用多孔孔板處理羅丹明B的試驗，就得出了相同的結論，發現在給定的過流面積下，越多的開孔數及越小的孔徑會有更好的去除效果，與本文的結果相一致。Balasundaram等[22]利用多孔孔板進行細胞的降解試驗亦得出了相同的結論。對比3種孔板的聲信號頻譜圖可以看出，孔板3、4的聲信號頻譜圖的幅值變化規律與硫離子處理效果的強弱相對應。而聲信號強度最強的孔板7則不具有更強的硫離子處理效果，分析認為孔板7的高聲信號幅值是由過窄的孔徑引起的。

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

3 結論

本文綜合討論了水力空化的聲發射特性及其對含硫污水中硫離子處理能力的影響。通過改變孔板結構及水力空化進口壓力，并對水力空化聲發射信號進行采集，發現水力空化空泡的潰滅是產生聲發射信號的主要原因之一。

最終，水力空化處理含硫污水的試驗證明了水力空化可以處理含硫污水中的硫離子。結合水力空化的聲發射特性得出以下結論。

(1)在相同的過流面積下，增大多孔孔板的開孔數可以增大硫離子的去除量，而選擇單孔孔板作為空化發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射信號幅值(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射信號的幅值，同時硫離子處理效果亦得到增強。

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

(4)僅通過調節進口壓力及孔板開孔結構對提升水力空化處理硫離子的能力是有上限的。

(5)通過對聲發射數據進行快速傅里葉變換，分析其主波峰的振幅，可以預測2 mm孔徑及以上孔板的水力空化處理硫離子的能力。