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水处理用超声波反应器

近年来,超声波在处理微污染水源、有机废水、污泥发酵与脱水、饮用水杀菌、消毒以及工业用水的阻垢、 除垢等方面的研究,已取得了较大的成果。但是,声化学应用于水处理在实验室里不断扩大,却一直不能在工业上推广应用。原因就在于缺乏高效的、能够大批量处 理和连续运行的超声波反应器。本文对水处理中常用的几种超声波反应器进行了介绍和分析,并指出了今后超声波反应器的研究方向。

1 用 于水处理的几种超声波反应器

超声波反应器是指有超声波引入并在其作用下进行化学反应的容器或系统,它是实现声化 学反应的场所一。目前用于水处理的超声波反应器可归纳为两大类,一类是液哨式.它是利用机械办法产生超声波:另一类是利用机电效应来产生超声波,包括清洗 槽式、变幅杆式、杯式和平行板式。

1.1 液哨式超声波反应器

这种反应 器与其它反应器的区别在于:它是在媒质内由射流冲击簧片产生超声波,而不是从外部把换能器产生的超声波引入媒质内,反应器内声强可以通过改变射流形状来调 节[2i。在水处理中,液哨式反应器主要用于含油废水的乳化和均化。1960年,Singiser等人采用不同的超声源分别对矿物油和水、花生油和水及红 花油和水进行超声乳化,结果表明,用液哨处理的效果,比其它压电超声换能器处理的效果都要好。

1.2 清洗槽式超 声波反应器

普通的清洗槽是将一组并联的压电换能器置于清洗槽底部,槽内注人水等耦合液,然后将反应容器置于耦合 液中。这类反应器价廉易得,操作简单方便, 目前实验室中大部分的声化学反应都是用它来进行的。

这类反应器在工业应用上有一些缺 点:第一,反应容器与藕合液之间的声阻抗差别很大,声波反射极为严重,在玻璃反应器中,以水为藕合液时,其反射率高达70%;第二,清洗槽内的声强较小, 一般不超过5 W/cm :第三,反应器的效率与反应容器的形状以及反应容器置于耦合液中的深度有关,因而试验结果的重现性较差;第四,反应过程中耦合液 会因吸收超声波的声能而温度升高,因而不易控制反应温度。鉴于以上缺点,在实际的大规模水处理施中.为了获得更好的超声处理效果,我们必须采用其它类型的 超声波反应器。目前,清洗槽式超声波反应器主要应用于工业清洗.与其它清洗方法相比,超声波清洗具有清洗时间短、残留物少、清洗效果好的优点。

1.3 变 幅杆式超声波反应器

这是一种很有效的声化学反应器,变幅杆能使超声波能量集中在较小的辐射面上,在超声辐射端面 上可以获得数百W/cm 的声强.且探头发射功率一般是连续可调的。这种反应器有以下优点:声能利用率高,且由于变幅杆的聚能作用,声能密度大大提高:可 以连续改变功率以优化反应条件,并能根据声能密度的大小精确设计反应器。为了解决一些反应器只能间歇运行的缺点,有人设计出了变幅杆浸入式流动槽反应器, 这种反应器可以连续运行。Jorg Hofmann等利用这种反应器研究了超声功率、变幅杆直径和变幅杆浸入深度等条件对苯基硫脲转换程度的影响。 A.Kotronarou的研究表明:,这种反应器因为发射超声波的探头直径较小(一般为10~30 mm),声波辐照表面积小.能量效率较低,其实际应 用局限在地下水的处理方面。

1.4 杯式超声波反应器

有人将变幅杆式反 应器与超声波清洗槽相结合,得到杯式超声波反应器。与超声清洗槽相比,杯式反应器有以下几个优点:能量密度较高,且能调节;频率固定可以进行更为定量和重 复性实验;温度控制比较精确。

与变幅杆式反应器相比,杯式反应器有一个重要优点,即探头表面被空化腐蚀掉的微小颗粒不会污染反应液。Hepher M J等.6:于2000年 设计了4种形状的杯式声化学反应器,分别是圆柱型、圆锥型、带有蠕动泵循环式圆柱塔型、带有蠕动泵循环式圆锥塔型2002年.Prashant A等 [7=将杯式声化学反应器与声变幅杆反应器相结合,设计出综合了两种反应器的优点的双频反应器。这种反应器提高了超声效应和能量的利用率.加速了反应速 率。但与清洗槽式反应器相似,杯式超声波反应器内的声强也较小.且盛反应液的容器大小也会受到限制,因此,在大型的水处理设施中.杯式超声波反应器的应用 前景也不大。目前,这种反应器也主要用于实验室中的水处理研究。

1.5 平行板近场型声处理器

平行板近场型声处理器(Parallel plate near fieldacoustical processor,NAP) 是美国Lewis公司开发的。该系统由一个矩形空间构成,矩形空间上下两块平行金属板上都镶嵌有磁致伸缩换能器,分别由两个不同的超声发射源提供,产生频 率各自为20和16 KHz的超声波。被处理液体从矩形空间的一端流人,另一端流出,当液体流经上下两块金属板构成的区域时,即会受到超声波的辐射,矩形 空间内的声强是单一金属板发射的声强的2倍以上。

NAP最先被应用在从原油中提取油料。MasonT J等_8‘采用金属平板尺寸 为3 ITI×5 ITI,平板间距为8 cm的大型NAP系统处理含油液体,其处理流量可达300 L/min。1998年,Thoma G等‘用 NAP系统处理含苯和甲苯的废水.流量在3~10 mL/min范围内,整个处理过程中以氧气曝气。试验结果表明,初始的质量浓度为4~8 mg/L的苯 和甲苯废水经声强为0.65~3.6 W/cmz的NAP系统处理后,两者的降解均呈一级反应,反应速率常数为0.002 7 ~0.037 min~。

与上述的其它几种超声波反应器相比.平行板近场型声处理器中超声声强大.适用水质广泛,能够大批量处理且可以进行连续运行.因此它 的出现为超声波水处理技术从实验室走向较大规模的实际工业应用提供了技术支持,其发展前景是最大的。

2 结语

随着超声波技术的迅速发展,各种新型的超声波反应器也应运而生。但由于目前所设计的超声波反应器 均处于实验室研究阶段,且多为间歇运行方式,这就限制了超声波技术走向工业化。为了解决这一问题.今后超声波反应器的研究应朝着以下几个方面发展:

① 加强声化学反应的基础研究,进一步优化各种超声波反应器的声学参数和反应条件:

② 加大超声波反应器由实验室走向工业化的放 大效应的研究:

③ 进一步研究超声波技术与其它技术的协同作用.开发大型廉价的复合型反应器.如超声/紫外 光、超声/磁场等联合作用的反应器。

[来源:原创] [作者:国创电气] [日期:10-03-19]
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