超聲波除沫在工業廢水處理中的應用

李威崢，劉寶，王海波，陳曉慶，李健，李亞仙

超聲波除沫在工業廢水處理中的應用

李威崢，劉寶，王海波，陳曉慶，李健，李亞仙

（上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518）

在工業廢水處理過程中，泡沫消除一直是很棘手的問題。雖然市面上已有很多物理或化學的除沫方法，但效果都不是很理想。根據超聲波的特性設計試驗，研究了超聲波裝置側裝和頂裝的除沫效果，并對超聲波頻率、超聲波與泡沫的距離以及溶液溫度對泡沫消除速率的影響展開了試驗研究，得到了良好的效果。

超聲波；廢水處理；除沫

在大部分工業生產的過程中，都會產生工業廢水。國家“十二五”規劃明確提出，要深入貫徹節約資源和保護環境基本國策。污水處理是環保領域的重要一環，而工業廢水的處理則是污水處理中最難處理的部分［1］。工業廢水的蒸發濃縮處理工藝常會用到多效蒸發，多效蒸發是將多個單效蒸發通過串聯的方式得到的一種蒸發型式。

廢水物料在蒸發分離處理過程中經常會產生過多的泡沫，一部分泡沫是物料在蒸發加熱過程中產生的氣體，由于壓力的變化從液體內部溢出產生的，還有一部分泡沫是物料在撞擊罐壁的機械力作用下產生的［2］。因工藝前端預處理欠佳或者物料本身含有表面活性劑等原因，導致物料的黏性過高，起泡能力大或泡沫的穩定性高，致使泡沫生長的速度比破潰的速度更快。過多的泡沫攜帶濃縮液進入蒸汽及冷凝水系統，會破壞系統的穩定運行；造成冷凝水污染，導致排放不達標；會造成動靜設備過流部件的結垢、堵塞等一系列問題。因此對除沫方法的研究尤為重要。

1 常用除沫方法

消除泡沫是采取一定措施破碎已形成的泡沫，或降低泡沫層的厚度。常用的消除泡沫方法有很多，主要可分為物理方法和化學方法。物理方法主要有靜置消泡法、減壓消泡法、升溫消泡法、流體噴射消泡法、機械攪拌消泡法和超聲波消泡法等；化學方法主要有添加消泡劑消泡法、添加改變穩泡劑穩定性的物質等。本文將對常用的幾種除沫方法進行介紹。

1.1 熱力除沫法

熱力除沫法是物理方法中升溫消泡法的一種，其除沫的原理是在溫度升高時把液體從泡膜中蒸發掉，在泡沫與加熱器接觸下或者蒸汽氣流作用下使泡沫破裂。加熱器的溫度在泡沫破裂區應高于表面活性劑溶液的沸點。熱力除沫作用是液體蒸發、表面活性劑的溫度和表面張力改變以及液體黏度減小的共同結果。熱力法除沫有很多的優點，特別是不會導致重復發泡，而且結構簡單，成本較低。但也有缺點，如加熱器中嚴重結垢，結果會大大降低其消泡效率，且能耗增大。

1.2 除沫器除沫法

除沫器除沫法是物理方法中機械除沫法的一種，當帶有細小泡沫的氣體上升通過絲網時，泡沫與絲網上的細絲相碰撞從而附著在細絲表面上。由于細絲的可潤濕性、毛細管作用以及液體的表面張力，使液滴變得越來越大，直至聚集的液滴大到其自身的重力大于氣體的上升力與液體表面張力的合力時，液滴會從細絲上脫墜下落。氣體通過絲網除沫器之后，所含細小泡沫將大大減少。除沫器有結構簡單體積小；除沫效率高；阻力小；重量輕；安裝、操作、維修方便等優點。但實際使用中，對細小泡沫的消除效果不是很好。

1.3 消泡劑除沫法

消泡劑除沫法是化學方法中的一種，除沫原理主要是向泡沫溶液中添加化學制劑，改變溶質起泡的性質，降低泡沫的表面張力，破壞膜的彈性，促使液膜排液，達到除沫的目的。消泡劑有消泡快，抑泡性能好，擴散性、滲透性好，無生理活性，無腐蝕、無毒、無不良副作用、不燃、不爆，安全性高等優點。但是對出料要求高的產品，添加消泡劑會改變物料成分及性質，不適合使用。

1.4 自然除沫法

自然除沫法是物理方法中的一種，主要是利用泡沫間液膜中的液體沿著膜界面滲出，氣泡內的氣體向外擴散以及一些單個氣泡的液膜破裂達到除沫的效果。泡沫破裂的基本過程是脫水收縮，它主要依賴于重力作用，這一作用使泡沫的液膜逐漸變薄造成泡沫破裂從而實現除沫。能循環利用又可節約成本，除沫時間較長，對于起泡速度較快的環境不適用。

2 超聲波除沫

超聲波除沫法是物理方法的一種。超聲波是一種頻率高于20 000 Hz的聲波，具有波長短，傳播方向性好等優點。工業上采用的超聲波除沫法的原理在于利用高頻聲振動的破壞特性促使泡沫破滅。在超聲波眾多特性中，有幾點對于泡沫的消除工作具有積極作用，本文將進行逐一介紹。

2.1 較大能量

超聲波有著很大的功率，可以產生較大的能量。當超聲波到達某一物質表面時，在聲波的作用下，泡沫中物質的分子也會隨聲波的振動而振動。分子的振動頻率決定了分子的振動速度，當頻率越高時，速度也就越快。物質分子通過振動獲得的能量，不僅與分子質量有關系，也與分子振動速度的平方有關系。所以當超聲波的頻率越高，分子振動速度越快時，分子獲得的能量也就越高。超聲波產生的機械能量會使物質的分子得到很大的加速度。把超聲波作用在帶有泡沫的液體中，機械能量使液體分子產生的加速度，可能會比重力加速度大幾十萬倍，甚至更大。巨大的加速度，能使液體分子產生比較高速的運動，進而使泡沫破裂［3］。

2.2 聲壓作用

超聲波具有很大的能量, 會使泡沫產生很大的聲壓作用。當聲波到達泡沫時，超聲波的高頻振動，會使泡沫的物質分子產生壓縮或者稀疏的作用，此時泡沫所承受的壓力會發生改變。介于超聲波具有很大的能量，就會使泡沫產生很大的聲壓作用。泡沫在沒有受到超聲波聲壓作用之前，只受到大氣壓力的作用，當超聲波到達泡沫上后，如果超聲波的振動使泡沫分子產生壓縮作用，則泡沫所受的壓力增大，壓力促使泡沫破裂；如果超聲波的振動使泡沫分子產生稀疏作用，則泡沫所受的壓力小于大氣壓力，使泡沫膨脹后破裂［4］。

2.3 空化效應

超聲波起到的聲壓作用，可產生空化效應。超聲波是一種機械縱波，通過介質進行傳播，而它在介質中傳播的過程中存在一個正負壓強的交變周期。液體內局部壓力降低時，液體內部蒸氣或氣體形成空穴，又稱為空化氣泡。空化氣泡在超聲波縱向傳播形成的負壓區域內生長，而后在正壓區域內迅速閉合，在交替的正負壓強下不斷受到壓縮和拉伸的交互作用，最終導致氣泡崩潰破碎。在液體中存在的微氣核空化泡在聲波的作用下產生振動，當聲壓達到一定值時發生的生長、閉合最終崩潰的動力學過程就是空化效應［5］。

3 超聲波除沫效果的試驗研究

根據超聲波的特性，設計了一系列試驗，對超聲波除沫的效果進行了研究。試驗用兩個不銹鋼桶模擬分離器作為實驗設備；高泡洗衣粉模擬起泡劑作為溶質使溶液起泡，創造消泡環境；超聲裝置，提供實驗所需超聲波。分別對側裝和頂裝兩種方式的除沫效果，以及超聲裝置的頻率、安裝距離以及溶液的溫度對除沫效果的影響進行了試驗研究，并與自然消泡效果進行了對照，均得到了顯著的效果。

3.1 超聲波側裝除沫試驗

側裝試驗是將超聲波裝置固定在試驗裝置側面進行除沫的試驗。取甲、乙兩個相同的不銹鋼桶，注入等量自來水，再加入等量高泡洗衣粉，使洗衣粉充分溶解，攪拌出幾乎等量的等液位泡沫，甲桶采用自然消除泡沫，乙桶采用超聲波消除泡沫，每半小時記錄兩桶的泡沫液位，試驗重復進行3次，試驗示意圖如圖1所示。

圖1 側裝示意圖

根據試驗數據作出圖像如圖2，3條虛線表示自然除沫的圖像，3條實線表示超聲波除沫的圖像，從圖像中可以看出，超聲波除沫的速率短時間內明顯快于自然除沫的速率，超聲波在除沫上的應用必然會有顯著的效果。

圖2 自然除沫與超聲波除沫對比圖

3.2 超聲波頂裝除沫試驗

頂裝試驗是將超聲波裝置固定在試驗裝置上方進行除沫的試驗。根據不同的測量要求，分別對超聲裝置的頻率、安裝距離以及溶液的溫度對除沫效果的影響分別進行試驗，試驗示意圖如圖3所示。

圖3 頂裝示意圖

3.2.1 超聲波頻率對除沫影響的試驗

超聲波是頻率為2×104~5×108Hz范圍內的聲波，本次試驗取20~40 kHz的頻率作為研究范圍。

取甲、乙兩個不銹鋼桶，注入等量自來水，再加入等量高泡洗衣粉，使洗衣粉充分溶解，攪拌出幾乎等量的等液位泡沫。同一水溫，甲桶超聲波發生器距離相同，將超聲波頻率在20~40 kHz之間選定頻率跟蹤范圍±4 kHz，研究不同頻率超聲波下的除沫速率，乙桶作為對照組采用自然除沫法除沫，試驗重復進行3次。

根據試驗數據作出圖像如圖4，從圖像中可以看出，超聲波頻率在24 kHz以上都可以達到滿意的效果，但再增大頻率雖然可以縮短除沫時間，縮短的并不明顯，出于節能考慮，超聲波頻率設置在24 kHz最為合適。

圖4 不同頻率超聲波除沫試驗對比圖

3.2.2 超聲波與泡沫的距離對除沫影響的試驗

本次試驗取超聲波與泡沫10~50 cm的距離作為研究范圍。同一水溫，甲桶同一超聲波頻率下，超聲波發生器與泡沫距離在10~50 cm之間選定距離范圍±10 cm，研究超聲波發生器與泡沫不同距離下的除沫速率，乙桶作為對照組采用自然除沫法除沫，試驗重復進行3次。

根據試驗數據作出圖像如圖5，從圖像中可以看出，超聲波與泡沫的距離在20 cm以下都有明顯的效果，但再增大距離雖然與自然除沫相比也可以縮短除沫時間，但由于超聲波的方向性，距離再加大效果與自然除沫效果差別已不大。

圖5 超聲波與泡沫不同距離除沫試驗對比圖

3.2.3 溶液的溫度對除沫影響的試驗

本次試驗取溶液的溫度30~100 ℃作為研究范圍。超聲波發生器距離相同，同一超聲波頻率下，溶液溫度在30~100 ℃之間選定溫度范圍±10 ℃，研究不同溫度下的除沫速率，乙桶作為對照組采用自然除沫法除沫，試驗重復進行3次。

根據試驗數據作出圖像如圖6，從圖像中可以看出，隨著溶液溫度的增加，泡沫消除的效率更快，但差別并不是很大。

圖6 不同溶液溫度除沫試驗對比圖

4 結 論

超聲波除沫法作為一種物理方法，與化學方法相比較，能明顯降低消泡成本，不影響產品的質量；與同為物理方法的機械除沫法相比較，設備體積更小，功率消耗更少，消泡效率更高。

通過上述一系列的試驗，發現超聲波裝置側裝時的除沫效果要比頂裝的除沫效果更好一些。將超聲波頻率設置在24 kHz時除沫效果最為合適，超聲波與泡沫的距離在20 cm以下都有明顯的效果，溶液溫度的增加雖可以加快除沫速率，但差別并不明顯。

［1］楊武，王麗娟，劉寶. MVR污水處理裝置控制系統設計[J]. 甘肅科技，2017（15）：42-43.

［2］王珣，陳曉慶，劉海祿，等. 多效蒸發裝置中的起泡與消泡[J]. 石油化工設備，2016（3）：45-46 .

［3］孫來九，呂文舫. 超聲波消除泡沫的研究[J]. 化學工程，1995（10）23-25.

［4］曲正新. 原油泡沫的危害和消除方法[J]. 當代化工，2015（5）: 44-45.

［5］曾宇，張慶文，劉永壘，等. 工業發酵中泡沫控制方法探討[J]. 中國釀造, 2011 (9)：234.

Application of Ultrasonic Defoaming in Industrial Wastewater Treatment

,,,

（Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co., Ltd., Shanghai 201518, China）

In the course of industrial wastewater treatment, the removal of the bubble has been a very difficult question.Although many physical or chemical methods of defoaming are available,they didn't work out so well.In this paper, according to the ultrasonic characteristics,a test was designed,the defoaming effect of the side and top mounting of the ultrasonic device was studied. The effect of ultrasonic frequency, the distance between ultrasonic wave and foam, and solution temperature on foam removal rate was studied, and good results were achieved.

Ultrasonic wave; Sewage treatment; Defoaming

上海藍濱石化設備有限責任公司研發項目：工業廢水沸騰分離過程中泡沫消除裝置的研發（項目編號：17BCJ001）。

2020-11-23

李威崢（1992-），女，工程師，黑龍江省大慶市人，2014年畢業于東北石油大學自動化專業，研究方向：電氣設計。

X703

A

1004-0935（2021）04-0493-04