（機械設(shè)計及理論專業(yè)論文）高濃度、難降解工業(yè)廢水超聲裂解若干關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

崮選度! 壁睦鯉王墊廢盛趨童裂鰹萱王羞毽拄苤啦班巒 生塞撓耍 中文摘要 水是地球表面最主要的天然組成物質(zhì)，永是生命的源泉，是人類生活，生產(chǎn)的最重 要的自然資源，也是自然生態(tài)系統(tǒng)繁榮昌盛的最重要的依賴因素。人類習(xí)慣于把水看 作是取之不盡、用之不竭的最廉價的自然資源，但隨著人口的膨脹和經(jīng)濟的快速發(fā)展， 水資源短缺的現(xiàn)象正在很多地區(qū)相繼出現(xiàn)，水污染及其所帶來的危害更加劇了水資源 的緊張。并嚴(yán)重破壞了自然喬的生態(tài)平衡，對人類自身的生存和進一步發(fā)展也構(gòu)成了 嚴(yán)重威脅，因此，切實防治水污染、保護水資源已成為當(dāng)今人類的迫切任務(wù)。 人類解決水問題的有效途徑，就是節(jié)約用水、清潔生產(chǎn)和廢水的綜合治理，其中 廢水的治理水平和利用程度將成為2 l 世紀(jì)社會發(fā)展和社會文明的重要指標(biāo)。 傳統(tǒng)的高濃度工業(yè)廢水處理，通常采用化學(xué)法、生物法以及其楣結(jié)合的方法進行 處理。雖然，化學(xué)法處理過程簡單，但是，其處理費用往往較高，有時很難找到能使 商濃度、難降解工業(yè)廢水分解和降解的化學(xué)藥劑。生物法雖然處理費用相對較低，但 是，它的高濃度、難降解工業(yè)廢水有時很難直接處理。 近年束，一些國內(nèi)外科研機構(gòu)與研究者，研究探索了許多污水處理的新方法。如 渝式高溫氧化法，即通過高溫、高壓對高濃度、難降解的工業(yè)廢水進行濕式裂解。其 裂解效果雖然好，但是因為牽涉到高溫、高壓反應(yīng)，可靠性使用戶擔(dān)憂，因此，該技 術(shù)效果雖然較好，但確一直未能很好的推廣應(yīng)用。反滲透法是近年束發(fā)展較快的種 新方法，其處理后的水質(zhì)較好，但是，對高濃度、難降解工業(yè)廢水存在著反滲透易污 染的問題，且設(shè)備投資較大；對一般的生活污水采用反滲透法處理又十分不經(jīng)濟。 s b r 法雖然有很多優(yōu)點，但是，如果采用低負荷的s b r 反應(yīng)器，則污水進入停留 時問較長：如果周期變換頻率，則沉淀和潷水的時間在整個周期中的比例就會增加， 可能大大超過傳統(tǒng)的曝氣池二沉池系統(tǒng)的停留的時問使整個系統(tǒng)不經(jīng)濟。 本論文針對上還問題將在“基于納米技術(shù)高濃度、難降解工業(yè)廢水溶氣變頹超聲 聚爆裂解新工藝”的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年迅速發(fā)展的s b r 并對其進行改進，以形成“納 米溶氣超聲聚焦裂解+ m s b r 組合工藝法”，處理高濃度、難降解工業(yè)廢水新技術(shù)，并 進行了實驗研究，以將其應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。本論文做的主要工作如下： 1 為進一步搞清楚超聲聚焦裂解作用機理的研究，繼續(xù)深入討論超聲聚焦裂解作 用機制； 2 深入探討溶氣超聲聚焦裂解機理，建立其動力學(xué)模型。 3 研究納米離子擴散方式以及納米離子對超生對聚焦裂解過程的影響。 4 使用模糊控制的方法，對超聲裂解污水處理系統(tǒng)進行智能控制。 5 通過對傳統(tǒng)的活性污泥工藝、s b r 法的分析找出其優(yōu)缺點，并研究探討m s b r 工藝與超聲聚焦裂解工藝銜接相關(guān)問題。 中史摘受 南濃度、難降解t 業(yè)坡水超聲裂解若干關(guān)鍵技術(shù)的研究 6 在理論研究的基礎(chǔ)上進行研究設(shè)計“納米溶氣變頻超聲聚焦裂解+ m s b r 工藝 污水處理實驗裝置”。實驗裝置主要包括：超聲微溶氣泡施放器、變頻脈沖超聲超聲波 脈沖發(fā)生器、變頻脈沖超聲波脈沖發(fā)生器、三維聚焦裂解發(fā)生器和m s b r 法反應(yīng)器及 系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)等。 7 利用“納米溶氣變頻超聲聚焦裂解+ m s b r 工藝污水處理實驗裝置”，通過對啤 酒廢水、制藥廢水等高濃度、難降解工業(yè)廢水和生活污水的實驗研究，對其參數(shù)進行 優(yōu)化，使用該技術(shù)處理后的污水的水質(zhì)優(yōu)于國家規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)。為該技術(shù)的實際應(yīng)用 煲定了理論與實驗基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：納米催化超聲裂解m s b r 法系統(tǒng)模糊控制實驗研究 i i 指導(dǎo)教師：郭旭紅 學(xué)生：劉丌強 東】殳、時降科t 業(yè)廢水超聲裂解若十關(guān)鍵技術(shù)的研究a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e ri st h em a i ns u b s t a n c et h a tm a k e su po ft h ee a r t hs u r f a c e w a t e ri s t h eh e a d s p r i n go fi i f e i ta l s oi st h em o s ti m p o r t a n tn a t u r a lr e s o u r c ef o rh u m a n s l i v i n ga n dp r o d u c t i o n i ti st h em o s ti m p o r t a n td e p e n d e n tf a c t o ro ft h en a t u r a l z o o l o g ys y s t e m sp r o s p e r i t y h u m a nu s e dt o1 0 0 kt h ew a t e ra st h er e s o u r c et h a t i sv e r yc h e a pa n dn e v e ru s e du p b u ta l o n gw i t ht h ep o p u l a t i o n sg r o w t ha n d t h ee c o n o m yd e v e l o p sr a p i d l y t h es h o r t a g eo ft h ew a t e rr e s o u r c ei sn o w a p p e a ri nm a n yp l a c e s 。a n dt h ep o l l u t i o no fw a t e ra n dt h eh a r mi tb r i n g sm a k e t h es h o r t a g eo fw a t e rm u c hm o r eb a d l ya n di ta l s ob a d l yd e s t r o y e dt h eb a l a n c e z o o l o g yo ft h en a t u r e i tm a k e si tat h r e a tt ot h eh u m a ns e l l se x i s ta n dd e v e l o p o ft h eh u m a ns o c i e t y s oi ti st h em o s tu r g e n tt a s kf o rh u m a nt op r o t e c tw a t e r r e s o u r c ea n dp r e v e n tt h ew a t e rp o l l u t i o n t or e s o l v et h ep r o b l e mo fw a t e r sv a l i dw a yi st os a v i n gt ou s ew a t e r , p r o d u c tc l e a r l y , a n dt h ew a s t ew a t e r sf a t h e r a m o n gt h e mt h el e v e lo fw a t e r s f a t h e ra n di t su s e dd e g r e ew i l lb et h ei m p o r t a n ti n d e xo ft h es o c i a ii m p o r t a n t a n ds o c i a lc i v i l i z a t i o ni nt h e2 1c e n t u r y t r a d i t i o n a lt r e a t m e n tf o rt h eh i g hc o n s i s t e n c yi n d u s t r i a lw a s t ew a t e r , c o m m o n l yu s et h ec h e m i c a lm e t h o d b i o l o g ym e t h o da n dt h e i rc o m b i n a t i o n m e t h o d a l t h o u g hi ti sv e r ys i m p l et od e a lw i t ht h ew a s t e w a t e rb yt h ec h e m i c a l m e t h o d ，t h ec h a r g es o m e t i m ei sv e r yh i g h ，a n ds o f f l e t i m e si ti sd i f f i c u l t yt of i n d t h ec h e m i c a lm e d i c i n et o d e c o m p o s et h eh i 2 1 1c o n s i s t e n c y , d i 腦c u l t l y d e c o m p o s e di n d u s t r i a lw a s t ew a t e r t h eb i o l o g ym e t h o d sc h a r g ei sr e l a t i v e l y i o w e r , b u t i tc a nn o td i r e c tt od e a lw i t hh i g h c o n s i s t e n c y d i f f i c u r l y d e c o m p o s e di n d u s t r i a lw a s t ew a t e r i nr e c e n ty e a r s s o m ee x p e r t sf i n d sal o to fn e wm e t h o dt od e a lw i t ht h e h i g hc o n s i s t e n c y ，d i f f i c u l t l yd e c o m p o s e di n d u s t r i a lw a s t ew a t e r , s u c ha sh i g h t e m p e r a t u r e ，o x i d a t i o nm e t h o d i tu s e sh i 曲t e m p e r a t u r ea n dh i g he x p r e s s i o nt o d e a lw i t hh i g hc o n s i s t e n c y , d i f f i c u l t l yd e c o m p o s e di n d u s t r i a lw a s t ew a t e r i t s e f f e c ti sv e r yg o o d ，b u ti tn e e d sh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s ，i t ss a f em a k e s t h eu s e rw o r r y s oi tn e v e re x t e n d st ob eu s e d t h ec o n t r a r yf i l e rm e t h o di sa n e wm e t h o dt oi m p r o v er a p i d l yi nr e c e n ty e a r s 。t h ew a t e ra f t e ri tt r e a t e di sv e r y g o o d ，b u tt ot r e a tw i t ht h eh i g hc o n s i s t e n c y , d i f f i c u l t l yd e c o m p o s e di n d u s t r i a l w a s t ew a t e ri sab i gp r o b l e mt h a ti ti se a s yt oa n t i f i l t e rp o l l u t i o n ；a n dt h e i n v e s t m e n ti sv e r yl a r g e s oi ti sn o tae c o n o m i ct ou s ei td e a lw i t ht h el i v i n g w a s t ew a t e r s b rh a sal o to fa d v a n t a g e s b u ti fu s e dl o wl o c a ls b r r e a c t o r , t h ew a s t e w a t e rs h o u l ds t a yal o n gt i m ei nt h er e a c t o r , i ft h ep e r i o dc h a n g et h ef r e q u e n c y , t h et i m eo fd e p o s i t i o na n dd r a i nw i l li n c r e a s e di nt h ew h o l ep e r i o d m a y b ei t w i l le x c e s st h et i m et h a tw a s t es t a yi nt h et r a d i t i o n a la e r a t i o na n dt h es e c o n d d e p o s i tp o o ls y s t e m i ti sn o te c o n o m i c ， 1 1 i t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rb a s eo nt h et h e o r y ”n e wp r o c e s st h a t b a s eo nt h en a n o u s ea i ra b s o r ba n df r e q u e n c yc h a n g e du l t r a s o n i cf o c a l i z et o d e a lw i t ht h eh i g hc o n s i s t e n c ea n dd i f f i c u l t l yd e c o m p o s ei n d u s t r i a lw a s t ew a t e r “c o m b i n ew i t ht h es b rt e c h n i q u ea n di m p r o v ei t ，f o r man e wp r o c e s s ”n a n o m e t e ru l t r a s o n i cf o c a l i z ed e c o m p o s e + m s b r ”t od e a lw i t hh eh i g h c o n s i s t e n c ea n dd i f f i c u l t l yd e c o m p o s ei n d u s t r i a lw a s t ew a t e r , d ot h ee x p e r i m e n t r e s e a r c h t h em a i nw o k si nt h i sp a p e r ： 1 r e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l e o ft h ea i ra b s o r bu l t r a s o n i cf o c a l i z e d e c o m p o s e ，d e e p l yd i s c u s s e dt h eo nt h ep r i n c i p l eo ft h ea i ra b s o r bu l t r a s o n i c f o c a l i z ed e c o m p o s e 2 d e e p l yd i s c u s s e di nt h ep r o c e s so ft h ea i ra b s o r bu l t r a s o n i cf o c a l i z e d e c o m p o s e ，t h ep a r a m e t e r s e f f e c ts u c ha sc u r r e n t ，i m p u l s ev o l t a g e ，f r e q u e n c y , a i ra b s o r p t i o nt i m ea n dd e c o m p o s et i m e c o n s t r u c tt h ed y n a m i c sf u n c t i o no f t h e m 3 r e s e a r c ho nt h ee f f e c to fn a n o m e t e rh y d r o n i u md i f f u s i o n sm o d ea n d t h ee f f e c to fn a n o m e t e rh y d r o n i u mt ot h eu l t r a s o n i cf o c a l i z ed e c o m p o s i t i o n 4 u s et h ef u z z yc o n t r 0 1m e t h o d t oi n t e l l e c t i v ec o n t r o lt h es y s t e mo f u l t r a s o n i cf o c a l i z e dd e c o m p o s i t i o n 5 t h r o u g ha n a l y s i st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a l m e t h o dt ow i p eo f ft h en i t r o g e na n dp h o s p h o ra n ds b i n t r o d u c et h em s b r a n dd i s c u s st h ep r o b l e mt h a th o wt ol i n kt h em s b rw i t ht h eu l t r a s o n i cf o c a l i z e d e c o m p o s e 6 b a s e do nt h et h e o r y , d e s i g nt h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s ，i ti n c l u d e d t h er e l e a s e de q u i p m e n to fa i ra b s o r bb u b b l e s ，t h ef r e q u e n c yc h a n g e du l t r a s o n i c i m p u l s ea c t o r , m s b rr e a c t o ra n ds oo n 7 u s e dt h ee x p e r i m e n te q u i p m e n tt od e a lw i t ht h ew a s t ew a t e ro fb e e r , m e d i c a l ，t h e no p t i m i z et h ep a r a m e t e r s ，u s et h i se q u i p m e n tt od e a lw i t ht h e w a s t ew a t e rii l ,the w a t e rt so u t p u tsb e t t e rt h a nt h en a t i o n as t a n d a r dm a k ea b a s i ci nt h e o r ya n de x p e r i m e n tf o ri t sp r a c t i c eu s e k e y w o r d s ：n a n o m e t e rc a t a l y z e ，u l t r a s o n i cd e c o m p o s e ，m s b r ，f u z z yc o n t r o l ， e x p e r i m e n tr e s e a r c h w r i t t e nb yl i uk a i q i a n g s u p e r v i s e db yg u ox u h o n g 高濃度，難降解1 = 業(yè)廢水超聲裂解若干關(guān)鍵技術(shù)的研究 第一章緒論 第章緒論 1 1 課題來源及研究意義 隨著社會的發(fā)展，改革丌放的深入，我國經(jīng)濟以前所未有的速度想搶發(fā)展。自9 0 年代以來，我國的國民生產(chǎn)總值連續(xù)以7 8 一1 1 的高速率增長，耿得了舉世矚目的成 果。但是，我國環(huán)境保護的現(xiàn)狀不容樂觀。特別是水污染未能得到有效的處理。自1 9 9 7 年以來，我國廢水年排放總量一直維持在4 5 0 - - 5 0 0 億盹左右，2 0 0 0 年廢水排放量達到 最高值4 8 6 億噸，其中工業(yè)廢水排放量2 7 0 億噸，市政污水排放量2 1 6 億噸。根掘建 設(shè)部估計2 1 0 0 年廢水排放量為6 0 0 億m v 年以上。如此大的水量要想很好的治理，不 但需要巨大的投資，而且需要經(jīng)濟可靠的技術(shù)。因此，怎樣經(jīng)濟高效地解決高濃度、 難降解工業(yè)廢水、城市塵活污水的問題，一直是從事水處理研究工作者探索的問題之 一o 在經(jīng)濟發(fā)展已進入環(huán)保時代的今天，環(huán)保產(chǎn)業(yè)已成為2 l 世紀(jì)的綠色經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。 中國環(huán)境污染的嚴(yán)重性和自然生態(tài)脆弱性決定了中國環(huán)境保護的長期性和艱巨性。但 是我國的廢水處理率一直很低，城市污水處理率一直小于1 5 ，工業(yè)廢水處理達標(biāo)率 也一直在7 0 以下。絕大部分廢水未經(jīng)任何處理或處理不達標(biāo)就排放到江河湖泊等受 納水體。這1 0 多年的連續(xù)排放已經(jīng)造成我國江河湖泊及近海海域普遍遭受到不同程度 的污染，并有加重的趨勢。搞好水處理工作的關(guān)鍵問題之一是要有經(jīng)濟高效地解決高 濃度、難降解工業(yè)廢水的技術(shù)。 本課題利用交叉學(xué)科相關(guān)技術(shù)，采用“納米溶氣超聲聚焦裂解”+ 改進型 s b r ( m s b r ) 組合工藝法，對高濃度、難降解工業(yè)廢水進行適應(yīng)性處理。所謂適應(yīng)性 處理，是指根據(jù)污水的濃度、性質(zhì)等要求，對污水處理工藝進行滿足排放要求的適應(yīng) 性調(diào)整( 即組合) 。對高濃度、難降解工業(yè)廢水采用“納米溶氣超聲聚焦裂解”+ m s b r 組合工藝法使其滿足排放要求。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)外對于高濃度工業(yè)廢水、城市生活污水處理，通常采用化學(xué)法、生物 法以及其相結(jié)合的方法進行處理。雖然，化學(xué)法處理過程簡單，但是，其處理費用往 往較高，有時很難找到能使高濃度、難降解工業(yè)廢水分解和降解的化學(xué)藥劑。生物法 雖然處理費用相對較低，但是，它的高濃度、難降解工業(yè)廢水有時很難直接處理。 近年來，些國內(nèi)外科研機構(gòu)與研究者，研究探索了許多污水處理的薪方法。如 濕式高溫氧化法，即通過高溫、高壓對高濃度、難降解的工業(yè)廢水進行濕式裂解。其 裂解效果雖然好，但是因為牽涉到高溫、高壓反應(yīng)，其可靠性使用戶擔(dān)憂，因此，該 技術(shù)效果雖然較好，但確一直未能很好的推廣應(yīng)用。 第一章緒論 壘墮壁：些墮塑! 些嗟水塑字襲解苕十關(guān)鍵技術(shù)的研亢 反滲透法是近年來發(fā)展較快的一種新方法，其處理后的水質(zhì)較好，但是，對高濃 度、難降解工業(yè)廢水存在著反滲透易污染的問題，且設(shè)備投資較大；對一般的生活污 水采用反滲透法處理又十分不經(jīng)濟。 隨著超聲技術(shù)的發(fā)展，芮延年教授、郭旭紅副教授9 8 年在國際上首次提出- f n 用 超聲裂解的方法去解決高濃度、難降解有機污水處理的問題，并對其機理進行了大量 的理論和實驗研究，并獲得了成功。2 0 0 1 年他們在研究的基礎(chǔ)上結(jié)合聲化學(xué)、非穩(wěn)定 場最小耗能原理又提出了“基于納米技術(shù)高濃度、難降解工業(yè)污水溶氣變頻超聲聚爆 裂解新1 ：藝”。 s b r 法是近年束在我國迅速推廣的一項相對較新的技術(shù)。s b r 法雖然有很多優(yōu)點， 但是，如果采用低負荷的s b r 反應(yīng)器，則污水進入停留時間較長；如果周期變換頻率， 則沉淀和潷水的時間在整個周期中的比例就會增加，可能大大超過傳統(tǒng)的曝氣池一二沉 池系統(tǒng)的停留的時i 日j ，使整個系統(tǒng)不經(jīng)濟。 ， 本課題將在“基于納米技術(shù)高濃度、難降解工業(yè)廢水溶氣變頻超聲超聲聚爆裂解 新工藝”的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年迅速發(fā)展的s b r 并對其進行改進，以形成“納米溶氣超 聲聚焦裂解+ m s b r 組合工藝法”，處理高濃度、難降解工業(yè)廢水新技術(shù)，并將其應(yīng)用 到實際生產(chǎn)中去。 1 3 本課題主要研究內(nèi)容 1 為進一步搞清楚溶氣超聲聚焦裂解作用機理的研究，繼續(xù)深入討論溶氣超聲聚 焦裂解作用機制； 2 深入探討溶氣超聲聚焦裂解過程中的脈沖電壓、電流、頻率、溶氣、裂解時f 日j 與污水濃度之日j 的關(guān)系，建立其動力學(xué)模型。 3 研究納米離子擴散方式以及納米離子對超生對聚焦裂解過程的影響。 4 研究探討m s b r 工藝與超聲聚焦裂解工藝銜接相關(guān)問題。 5 在理論研究的基礎(chǔ)上進行研究設(shè)計“納米溶氣變頻超聲聚焦裂解+ m s b r 工藝 污水處理實驗裝置”。實驗裝置主要包括：超聲微溶氣泡施放器、變頻脈沖超聲超聲波 脈沖發(fā)生器、變頻脈沖超聲波脈沖發(fā)生器、三維聚焦裂解發(fā)生器和m s b r 法反應(yīng)器及 系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)等。 6 利用“納米溶氣變頻超聲聚焦裂解+ m s b r 工藝污水處理實驗裝置”，通過對啤 酒廢水、制藥廢水等高濃度、難降解工業(yè)廢水和生活污水的實驗研究，對其參數(shù)進行 優(yōu)化，使用該技術(shù)處理后的污水的水質(zhì)優(yōu)于國家規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)。 1 4 本章小結(jié) 本章通過對化學(xué)法、生物法以及其相結(jié)合的方法進行處理的研究，認(rèn)識到其處理 費用往往較高，有時很難找到能使高濃度、難降解工業(yè)廢水分解和降解的化學(xué)藥劑， 有時很難直接處理高濃度、難降解工業(yè)廢水。 2 媧濃度腫餅解丁業(yè)墟水趟聲裂鰣若十關(guān)鍵豐上術(shù)的研究第一帝緒論 低負荷的s b r 反應(yīng)器，污水進入停留時間較長；如果周期變換頻率，則沉淀和潷 水的時日j 在整個周期中的比例就會增加，使整個系統(tǒng)不經(jīng)濟。 通過對納米溶氣超聲裂解和s b r 法的研究，擬利用納米溶氣變頻超聲聚焦裂解 + m s b r 工藝污水處理的方法高濃度、難降解工業(yè)廢水。 第二章納米律化超聲裂解理論高濃度，難侔解工業(yè)廢水超聲裂解若干關(guān)鍵技術(shù)的研究 第二章納米催化超聲裂解理論 進入城市污水處理廠的工業(yè)廢水必須是可生化的。但是，有些工業(yè)廢水往往含有 一些不能不能生化降解或難降解的有機污染物，這就會造成：( 1 ) 這些不易降解或難降 解的有機污染物不能有效地被污水處理凈化，從而流出處理廠，使出水c o d 值偏高， 仍然危害水環(huán)境：( 2 ) 阻礙污水處理廠的生化反應(yīng)過程，降低凈化效率，有些污染物毒 性大，降解慢b o d 5 ，c o d 的比值小，使c o d 的去除率低。本文通過研究發(fā)現(xiàn)這些難 降解有機污染物在空化泡崩潰的強大力的作用下可以進行降解，因此本文在研究空化 現(xiàn)象、液體結(jié)構(gòu)強度和超聲聚焦模型的基礎(chǔ)上，提出了納米催化超聲裂解處理高濃度、 難降解的工業(yè)廢水方法柬解決這一問題，并對其進行了數(shù)學(xué)建模。 2 1 超聲裂解機理 超盧裂解機理十分復(fù)雜，目d f 還沒有很成熟的研究結(jié)論。這罩僅對超聲波粉碎的 過程作定性分析。 當(dāng)超聲波在水中傳播的過程中遇到聲阻抗比水的聲阻抗高礙多的難降解雜質(zhì)顆粒 時，超聲波由水進入雜質(zhì)顆粒并由雜質(zhì)顆粒進入水中，在兩者的介質(zhì)交界面上會發(fā)生 超聲波的反射和折射。圖2 1 是超聲波由水進人雜質(zhì)顆粒和由雜質(zhì)顆粒進入水時發(fā)生 反射和折射并形成壓力波和張力波的示意圖。 ( a ) 超聲波進入雜質(zhì)前( b ) 超聲波進入雜質(zhì)后( c ) 超盧波傳統(tǒng)雜質(zhì)后 圈2 - 1 超聲波裂解原理示意圖 當(dāng)超聲波由水進入雜質(zhì)顆粒時，在水與結(jié)石的交界面上發(fā)生反射和折射，形成反 射波和雜質(zhì)顆粒內(nèi)部的壓力波即折射波 圖2 1 ( b ) 】。若壓力波的壓強大于雜質(zhì)顆粒的抗 壓強度時，引起b 區(qū)雜質(zhì)顆粒的破碎。當(dāng)超聲波穿透雜質(zhì)顆粒再次進入水中時，超聲 波在雜質(zhì)顆粒與水的界面上又一次發(fā)生反射和折射，從而產(chǎn)生張力波 圖2 - k c ) 】。當(dāng)張 力超過雜質(zhì)顆粒的抗張強度時，就引起a 區(qū)雜質(zhì)顆粒的破碎。在此過程中，c 區(qū)的雜 質(zhì)顆粒未受到超聲波的影響，但在a 、b 兩區(qū)的雜質(zhì)顆粒粉碎之后，在后續(xù)的超聲波 多次反復(fù)超聲下，c 區(qū)就會逐漸縮小，即不斷出現(xiàn)新的a 區(qū)和b 區(qū)，直到雜質(zhì)顆粒完 全粉聹。 商濃度難降解工業(yè)廢水超聲裂解若干關(guān)鍵技術(shù)的研究 第一章納米催化超聲裂解理論 實驗表明，只要超聲波的波形能夠滿足一定的要求，大部分雜質(zhì)顆粒都會在超聲 波的多次反復(fù)超聲下破碎成雜質(zhì)顆粒粉末或細小的碎粒。 沖擊波粉碎技術(shù)要求以盡可能小超聲波以及最少的超聲次數(shù)使雜質(zhì)顆粒能夠破碎 成雜質(zhì)顆粒粉末或細小的碎粒，得到較好的粉碎效果。這就要求體外超聲波醉石機能 ，夠產(chǎn)生碎石性能優(yōu)良的超聲波。 超聲波的性能有它的特征參數(shù)所決定。這些特征參數(shù)包括：超聲波的壓力幅值、 超聲波壓力上升時1 1 日j 和脈沖的半高寬度。 為了得到良好的粉碲效果，對超聲波的這些特征參數(shù)有以下幾點要求： ( i ) 超聲波壓力幅值應(yīng)足夠大，以克服雜質(zhì)顆粒的抗壓縮強度和拉伸強度。通常要 求超聲波的壓力幅值要大于3 0 m p a 。 ( 2 ) 超聲波的上升時日j 應(yīng)足夠小，以使壓力波具有很大的壓力梯度，在超聲波具有 不同聲阻抗的介質(zhì)界面時，能夠充分反射，從而使雜質(zhì)顆粒內(nèi)部產(chǎn)生足以使雜質(zhì)顆粒 碎裂的拉伸應(yīng)力。 ( 3 ) 超聲波壓力波形的半高寬度必須足夠小，以便超聲波不僅能具有兆瓦級的脈沖 功率，而且可以使超聲波穿透雜質(zhì)顆粒所需要的傳輸時問大于脈沖寬度，從而避免雜 質(zhì)顆粒內(nèi)部的入射超聲波和反射波的相互抵消。 2 2 空化作用概述 早在1 8 3 0 年，f s a v e r t 曾用齒輪，第一次產(chǎn)生2 4 1 0 4 h z 的超聲。1 8 7 6 年f g a l t o n 用氣哨產(chǎn)生3 1 0 4 h z 的超聲。1 9 1 6 年l a n g e v i n ( 朗芝凡) 首次致力于研究水下 超聲作為偵察手段。1 9 2 7 年r w w o o d 和a e l o o m i s 首次發(fā)表對超聲能量作用的實驗 報告。為今天稱為功率超聲學(xué)奠定了基礎(chǔ)。 超聲技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播及接受的物理過程來完成的，用超聲波使物 體或物性變化的功率應(yīng)用稱為功率超聲。在液體中發(fā)射足夠大的超聲波能量，就會產(chǎn) 生“空化現(xiàn)象”，能使高分子分解與重聚促進化學(xué)反應(yīng)、脫氣等。 存在于液體中的微氣泡( 空化核) 在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達到一定值時， 氣泡迅速膨脹，然后迅速閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹，閉合。振蕩等 一系列動力學(xué)過程稱為聲空化( a c o u s t i cc a v i t a t i o n ) 。液體中要有一個最低的作用于液 體的聲壓幅值才能形成聲空化，這個最低聲幅值即稱為空化閥?？栈饔门c介質(zhì)的溫 度、壓力、空化核半徑、含氣量、聲強、粘滯性，頻率等因素有關(guān)。般溫度高，空 化閥低，易于空化，但若溫度過高時，氣泡中的蒸汽壓增大，在氣泡閉合期間增強了 緩沖作用而使空化減弱。液體靜壓力增大，空化閥增大，不易造成空化。液體中合氣 量高，空化閥低，易于空化。聲強高，易空化，但過高的聲強同樣不利于空化。頻率 高，空化閥高。 空化中，當(dāng)氣泡閉合時所產(chǎn)生的沖擊波強度最大。設(shè)氣泡膨脹時的最大半徑為r 。， 氣泡閉合時的最小半徑r ，從膨脹倒閉合，氣泡中心為1 5 8 7 r 處產(chǎn)生的最大壓力可達 。d 、3 到p 一= p o j l 每l 。當(dāng)心一0 0 時，p 。寸o o a 根據(jù)上式一般估計，局部壓力可達到 上千個大氣壓，由此可看出空化可產(chǎn)生巨大作用。、 第一章納米伴化超聲裂肼理論 晶濃j 芟，難降解t 業(yè)跋水超聲裂斛若十關(guān)鍵技術(shù)的研究 2 3 液體的結(jié)構(gòu)強度 純凈的液體，由于分子之間的吸引力很大，其結(jié)構(gòu)強度很高。純凈水在2 0 。c 時 結(jié)構(gòu)強度的理論值為3 18 5 m p a 。如果用聲波作用的方式將液體分子拉開，則所需要的 聲強小得多，對一般液體來說其實際結(jié)構(gòu)強度通常在2 4 5 4 9 0 m p a 。這種現(xiàn)象可以用 氣泡核學(xué)說來解釋。空化首先從液體中薄弱的地方開始發(fā)生，這些地方由于熱度的不 均勻或其他原因出現(xiàn)一些很小的蒸汽泡或者那里本來就有溶解在液體中的微氣泡( 稱 為空化核) ，于是在聲波負壓的作用下產(chǎn)生振動，當(dāng)聲壓達到一定值時，氣泡將迅速膨 脹變大而產(chǎn)生空化，這時產(chǎn)生的沖擊波水能在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓的壓力，對水 中某些物質(zhì)產(chǎn)生裂解作用。 為了進一步搞清楚在水中形成空化泡需要多高氣壓，現(xiàn)研究一個半徑為r 。的空化 泡在液體中保持平衡情況。此時，作用在泡內(nèi)外的壓力該相等，它們分別是： p = 只+ 丘 ( 2 - 1 ) 式中：r 泡內(nèi)壓力，p a ； 只泡內(nèi)蒸汽壓力，p a ； 只泡內(nèi)氣體壓力，p a 。 只= 晶+ 等 ( 2 2 ) 式中： 只泡外壓力，p a ； 只液體靜壓力，p a ； 等空化泡表面張力，p a 。 ( e 在沒有外力的作用時，泡內(nèi)外壓力處于平衡狀態(tài)： 吣皆時等( 2 - 3 ) 當(dāng)有外力作用時，即令流體內(nèi)的壓力由局斗屆時導(dǎo)致空化泡半徑由r 。一r ，此 時的壓力為： 只7 = 名時 ( 2 - 4 ) 只= 名i 詈l ( 泡內(nèi)新的壓力p 為： 磊= 只+ 名7 = _ + 己( 甜( 2 - 5 ) 如果r r ，泡外的作用壓力將因空化泡表面張力減小而變?yōu)椋?e ：片十等 ( 2 6 ) 如果此時的空化泡仍處于平衡，即只= 只，則有： 爿+ 警卻只( 等) 3 ( 2 - 7 ， 6 高濃度、難降解t 業(yè)廢水超聲裂解若干關(guān)鍵技術(shù)的研究 第二章納米倍化超聲裂解理論 巧= 。母百2 0 ( 2 - 8 ) 上式表明，流體靜壓力( 巧) 與空化泡半徑的三次方( r3 ) 成反比，也就是說，蟛值 的下降將導(dǎo)致r 值的迅速上升，事實上存在一個最小的臨界流體靜壓值，即該值的微 小下降將會導(dǎo)致空化泡半徑r 的急劇增大，與極小臨界流體靜壓值對應(yīng)的空化泡半徑， 叫做j 臨界半徑，以r 。表示，為估計r 。值，取式( 2 8 ) 的微分得： o 一一，名籌一o + 等 ( 2 - ，) 令r r 取代月，得到： 且：= 丟刪( 2 - 1 0 ) 在臨界流體靜壓時，式( 2 _ 8 ) 中的爿用取代有： 攻：。咿籌 ( 2 - 1 1 ) 把( 2 一l o ) 式的r k 值代入式( 2 一“) 有： 最斗烈酬( 料+ 籌 億切 由上式可見，液體結(jié)構(gòu)強度降低的原因是液體中存在小氣泡核，氣泡核的半徑r 。 越大，該處的液體結(jié)構(gòu)強度就越弱，如氣泡核半徑尺。很小，為使液體發(fā)生空化，就要 求更強的負外壓。 產(chǎn)生氣泡核的可能原因有：液重的熱度不均勻，液體在運動過程e e 混, k 氣體等， 正是這些不同的原因，空化泡在聲場的作用下表現(xiàn)出的動力學(xué)行為，才構(gòu)成了聲化學(xué) 反應(yīng)的動力或原因。 、 2 4 空化泡崩潰時間 f 圖2 - 2 外力作用下的空化泡體積變化 7 第一章納米催化超聲裂解理論 禹濃度，難降解t 業(yè)廢水超聲裂解若十關(guān)鍵技術(shù)的研究 假設(shè)一個空化泡在流體靜力最作用下從半徑r 。減小到r ，在忽略空化泡表面張力 的1 n g y # b 3 q r z 叻n t 最與體積變化之積 r 只4 艘2 搬= 只等( r ：一r 3 ) ( 2 - 1 3 ) 這個功等于液體移向空化泡( 如圖2 - 2 所示) 時所獲得的動能。 己知w ) = r 1 2 砌2 辦k , i t ) ( 2 荊) 式 p 廢水密度，k g m 3 ； 4 珂2 d r 液體移動的體積，m 3 。 ! ! 液體移動的速度，m s ： a t 設(shè)水是不可壓縮的，那么空化泡收縮的體積( 4 n r2 d r ) 就等于液體充填體積 ( 4 n r2 d r ) ，則有： r 2 d r = ，2 d r ( 2 一1 5 ) 將式( 2 1 5 ) 兩邊除以d t ，整理后代入式( 2 1 3 ) 得： 等只c 一購= z 矽p 2 毋等( 警 2 = z 刪4 睜 = 2 礎(chǔ)3 ( 翁 ( 2 - 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 經(jīng)整理后可得： d t = ( 2 1 7 ) v j 似t 7 ：r 一 -。 對式( 2 1 7 ) 進行積分即可得到空泡崩潰時間： 川川s 如j p 喲 當(dāng)有聲場作用時( 2 1 8 ) 口- r 變?yōu)椋?川川s 如【赤) 2 ， p 式中只聲壓。 由于液體靜流壓力較小，所以作用于空化泡的壓力主要取決于超聲波的聲壓。當(dāng) 聲壓不變時空化泡越小貝l j 其崩潰壓力就越大，當(dāng)聲壓達到一定值后氣泡將迅速膨脹變 大而產(chǎn)生空化。 通過以上對超聲裂解作用機理的理論研究，我們可以知道：液體中存在小氣泡核 是液體結(jié)構(gòu)強度降低原因之一。同時，氣泡核的半徑r 的大小對液體空化( 裂解) 的 發(fā)生影響很大。因此，我們在有機污水超聲裂解反應(yīng)過程中，充入一定量的加壓溶氣 8 i 島徠投、難降解丁業(yè)坡水超聲裂肼葒十關(guān)鍵技術(shù)的研兜 第一審納米稚化超聲裂解理論 水，使液體中形成一定量的小氣泡核來強化超聲裂解效果。 2 5 超聲波聚能原理 在超聲的一些應(yīng)用技術(shù)中，為了獲得高的超聲強度，或者將超聲能量集小到一定 的區(qū)域，必須利用聚焦超聲。 與光學(xué)的聚焦相類似，在超聲聚焦過程中可在焦點使聲能達到極大值，在一般情 況下，焦點的位置與會聚鏡鏡面的曲率中心相重合，在聲聚焦時，聲壓、質(zhì)點振動速 度和聲強都達到極大。主動式聚焦系統(tǒng)是指具有彎曲輻射表面的超聲輻射器，可以直 接產(chǎn)生會聚聲場，不需要其他輔助設(shè)備，如壓電陶瓷球型輻射器等。 聚焦系統(tǒng)的實際焦點不僅在橫向具有定的尺寸，而且在系統(tǒng)的軸向也具有一定 的大小，岡此，系統(tǒng)的焦點實際上是一個管狀的結(jié)構(gòu)。焦點的長度可用以下的方法加 以估t 1 。焦點附近的聲強沿軸向的分御可由下式近似給出 ( z ) zj ( s i n “) 。 ( 2 2 0 ) 式中z 表示離開焦點的距離，u = ；, r 2 ( a f ) 2 z 2 。對于“= 1 3 9 ，即z = o 8 8 6 ( f a ) 2 ， 聲強降到最大值的一半。因此，焦管的長度即焦點的長度是這一長度的2 倍，即 i s = 1 8 2 ( f a ) 2 ( 2 - 2 1 ) 在聚焦系統(tǒng)幾何焦點處的最大聲強可由下式表示 等= 芳 2 式中，n 表示未經(jīng)聚焦時平面波在焦點處的聲強。 對于球形壓電陶瓷聚焦輻射器，其焦區(qū)長度就等于曲率半徑；對于凹形反射鏡， 良奠、長度為其曲率半徑的一半。 一 口：超聲，聚焦系統(tǒng)中，下面一些參數(shù)非常重要，第一，會聚鏡丌角，即聲軸與焦點和 會聚鏡面邊緣的連線之間的央角，相當(dāng)于光學(xué)中的孔徑角第二，焦距，即在聲軸上 由焦點至聚焦表面的距離，值得注意的是，在一些情況下，會聚鏡面的曲率中心和在 聲軸上的波動焦點是不同的，后者是聲強最大的一個斑點。對某一種形狀的鏡面來說， 如果它不是球面的或者直角圓柱面的，則其幾何焦點與波動的焦點是不相重合的由 于超聲波波長的有限性，導(dǎo)致了聲波的衍射，由此在焦點處形成了焦斑。在簡單的情 況下，它是一個軸對稱的圓形聲束，聲束的會聚角很小。焦斑的半徑可表示為 r o = 1 6 1 2 f k ( 2 - 2 3 ) 其中兄是波長，r 是聚焦系統(tǒng)的孔徑半徑。廠是焦距。 所有超聲聚焦系統(tǒng)的目的都是為了產(chǎn)生一個球形或者圓柱形的波陣面，以便在焦 點處實現(xiàn)能量的集中，因此可以想象，只要我們知道了聚焦系統(tǒng)所形成的波振面上的 聲學(xué)參數(shù)( 如振動分白等) 和幾何參數(shù)( o n 半徑和j l 徑等) ，就可以進行計算。 9 第二章納米僻化超聲裂解理論 高濃度、難降解工業(yè)廢水超聲裂解若干關(guān)鍵技術(shù)的研究 r t弋一 夕 0 圖2 - 3 聚焦系統(tǒng)產(chǎn)生的球形波陣面示意圖 設(shè)圖2 - 3 是某一聚焦系統(tǒng)所產(chǎn)生的球形波陣面，在下面的討論中引入了以下兩個 假設(shè)：波陣面的曲率半徑f 遠大于波長a ，即f 五；波陣面的邊緣的衍射可以忽略。 圖中f 是波陣面的曲率半徑，口。是中心軸對稱球形波陣面的中心角，o 足焦點，、 ，7 是以o 為原點的直角坐標(biāo)。設(shè)波陣面上的聲壓分卻是非均勻的，但與聲壓軸是對稱 的，即滿足 p = p 。聲( 口) ( 2 。2 4 ) p o 是對稱軸與波陣面相交點日處的聲壓。 ) 是聲壓分布函數(shù)，它滿足條件 (o)=1(2-25) 根據(jù)德拜聲壓分布的表達式，可得焦點附近，坐標(biāo)為( 7 7 ，) 處的聲壓為 p ( r ，r 1 ) = 腳饑f 。6 ( a ) e 帥厶( k y s i n a ) s i n a d a ( 2 - 2 6 ) 式中k ：2 萬a 為波數(shù)，五是介質(zhì)小的聲波長，凡是零階貝塞爾函數(shù)。在焦點處，即 y = 可= o 處，聲壓為p f = 腳of 。( a ) s i n a d a ，聲壓增益為 足p = 衛(wèi)= k fr 礦( 口) s i n a d a ( 2 - 2 7 ) p o 川理對于二速度分向以及速度增益可得類似的表達式 v ( r ，1 7 ) = 七f f 。妒 ) p “4 “8 d o ( k y s i n a ) c o s a s i n a d a ( 2 2 8 ) = k f z of 礦( 口) c o s a s i n a d a ( 2 2 9 ) 髟= 等= 舾廣( 口) c o s a s i n 耐岱 7 ( 2 - 3 0 ) 在以上的推導(dǎo)中，做了以下的假定：波陣面上的每一個積分微元的線度遠大于波 長，即把波陣面附近的波近似看成變