声波沉降工艺研究

杨富帮，阮孝慈，王鹏飞，邓 宇

（天津科技大学化工与材料学院，天津 300457）

声波沉降工艺研究

杨富帮，阮孝慈，王鹏飞，邓 宇

（天津科技大学化工与材料学院，天津 300457）

设计单因素实验和正交实验，以高岭土沉降为研究对象,分析实验中声波频率、声场中声压级和作用时间对高岭土沉降的影响。结果表明，高岭土的沉降效果随声波频率、作用时间增大而减小，但在不同声压级沉降效果在一定范围波动，高岭土沉降的最佳工艺参数为：声波频率为 3 000 Hz，声压级115 dB，作用时间30 min。

高岭土；声波；沉降工艺

随着我国经济的高速发展，城市化进程和工业化的加快，每年的污水排放量都在增长，单纯的城市污水排放量就达到每年420亿t[1]，排放大量未处理的城市污水对我国的水资源产生严重的污染。污水处理涉及到环境、经济和资源的可持续发展，是节能减排的重要组成部分。而这其中，声波污水处理技术由于其成本低，二次污染少，操作简单，设备简易等优点倍受关注，许多科学家在研究此技术[2]。1926年，著名物理学家伍德研究了超声波在介质中的震动性质，引起了轰动并且使许多科学家开始研究声波[3]。到了1931年，帕特森和卡伍德研究以空气为介质的声波团聚方法，并且通过其研究表明，在驻波节点上有悬浮颗粒团聚，并称此现象为声波团聚现象[4]。声波与物质分子的作用，主要是声空化作用、机械作用以及热作用[5]。

当前世界范围内声波团聚的研究机构主要包括美国宾州州立大学的研究小组[6-7]、美国纽约布法罗大学的研究小组[8-9]等。声波团聚的基本原理可表述为利用高强声场促进颗粒的相对运动以至碰撞，颗粒碰撞后很可能会黏结形成更大粒径的颗粒[10]。

本文设计单因素实验和正交实验，以高岭土沉降为研究对象，分析实验中声波频率、声场中声压级和作用时间对高岭土沉降的影响。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

实验仪器：标智GM1356噪音计，深圳市佳利正宏电子有限公司；XFD-7A型低频信号发生器，天津市第二电子仪器厂；SYJ-IA型DSP教学功率放大器，北京市三雅诚信系统工程技术有限公司；AQ2010浊度仪，深圳市凯铭杰仪器设备有限公司。在声波室两端进行密封,并在一端安装用于声波反射的堵头，另一端安装辐射声波的声源。

实验试剂：高岭土，精细化工研究室提供。

1.2 实验方法

1.2.1 高岭土溶液配制

在本实验中，主要研究声波频率、声压级和作用时间对高岭土沉降的影响；首先取400 mL蒸馏水，加入高岭土9.19 g，在常温下对高岭土进行溶解，不断搅拌，保持30 min。取10 mL高岭土饱和溶液于500 mL的烧杯中，加入490 mL的蒸馏水即稀释50倍。准备7个100 mL的同样材质烧杯，每个倒入80 mL的高岭土稀释液。前5个用于声波沉降实验，第6个用于自然沉降实验，第7个用于测量原始浊度。

1.2.2 声波频率对高岭土沉降效果影响的研究

在配置完成的溶液中，将其分成7等份，测其初始浊度在一确定的值下，测量过程中控制声压级和作用时间相同，改变声波频率，在相同实验情况下检测浊度随频率的变化特点，得出最佳沉降频率。

1.2.3 声压级对高岭土沉降效果影响的研究

在配置完成的溶液中，将其分成7等份，测其初始浊度在一确定的值下，在最佳声波频率下作用相同时间，考察不同声压级对沉降效果的影响，得出最佳沉降声压级。

1.2.4 作用时间对高岭土沉降效果影响的研究

在配置完成的溶液中，将其分成7等份，测其初始浊度在一确定的值下，在最佳声波频率和声压级下，考察不同作用时间对沉降效果的影响，得出最佳沉降时间。

1.2.5 沉降工艺正交实验

在单因素实验结果的基础上进行正交实验，对声压级、频率和作用时间3个因素，每个因素取3个水平，采用L9（34）正交表进行实验，根据结果确定高岭土沉降的最佳工艺条件。

2 结果与讨论

2.1 声压级随位置的变化

由于声级计的量程范围是30～130 dB，所以要根据管内外差值来测量声压级，为了便于测量并减少实验对测量产生的误差，测量声室内声压级时要多测量几次，取平均值，然后加上管外声压级值就是管内声压级值。实验数据如表1。

表1 管内外声压级差值

另外需要考虑的是声波室内随着距离而发生的声压级衰减问题。由于在声波室内形成的是驻波声场，为了比较声压级随距离变化而发生的变化情况，只对比各频率声波在波腹和波节处的声压级。本实验以扬声器为初始位置，单位为mm。其中用于测量声压的声级计型号为标智GM1356噪音计。实验结果如图1所示 （其中，B：初始声压级118 dB，C：初始声压级122 dB，D：初始声压级128 dB）。

从图1中可以看出，随着距离远离扬声器，声压级数并没发生明显的减小或增大，表明在声场中并没有产生明显的衰减效应。所以在后续的实验过程中，可以不考虑微小距离带来声压级的变化。

2.2 声波频率对沉降效果的影响

实验条件：将声压级控制在100 dB，声波频率为600、1 400、2 200、3 000、3 800 Hz，作用时间为 20 min，在不同的频率下用AQ2010浊度仪测其浊度。考察不同频率对除尘效果的影响，结果如图2。其中，实验中设置的空白浊度见表2。

图1 声压级随位置的变化

表2 初始和稳定的浊度

图2 声波频率对沉降效果的影响

根据图2中数据可知，浊度随着声波频率的增加，其呈现先减小后平稳的变化趋势，在频率为2 000～3 000 Hz时，浊度下降速度较快，在此阶段频率下，高岭土发生较快团聚作用。从图中数据可以得出，频率在3 000 Hz浊度最小。实验中浊度最小表示沉降效果最好，所以，根据实验数据最佳声波频率为3 000 Hz。

2.3 声压级对沉降效果的影响

实验条件：将声波频率控制在3 000 Hz，声压级为 80、90、100、110、120、130 dB，作用时间为 20 min，在不同的声压级作用下用AQ2010浊度仪测其浊度。考察不同声强对除尘效果的影响，结果如图3。其中，实验中空白浊度见表3。

表3 初始和稳定的浊度

图3 声压级对沉降效果的影响

根据图3中数据可知，浊度随着声压级的增大，其呈现先减小后增大趋势，从图中数据可以得出声压级在110 dB时浊度最小。在声压级较强时会不利于高岭土的团聚。所以，最佳声压级为110 dB。

2.4 作用时间对沉降效果的影响

实验条件：将声波频率控制在3 000 Hz，声压级控制在 110 dB， 作用时间为 10、15、20、25、30、35 min，在不同作用时间下用AQ2010浊度仪，测其浊度。考察不同作用时间对除尘效果的影响，结果如图4。其中，实验中空白浊度见表4。

表4 初始和稳定的浊度

根据图4中数据可知，浊度随着作用时间的延长先减小，其后呈现平稳趋势，从图中数据可以得出作用时间为30 min时浊度最小之后趋于稳定。在30 min后，作用时间延长对高岭土的团聚作用已经很小。所以，最佳作用时间为30 min。

2.5 高岭土沉降的正交实验

依据高岭土沉降的单因素实验结果，确定正交实验因素及水平见表5，正交实验结果见表6。

表5 正交实验因素及水平表

表6 正交实验结果

表7 重复性实验及结果

由表6可知，影响高岭土沉降的最主要因素是声压级，其次为声波频率，最后为作用时间。选择了较优因素为声压级115 dB，频率3 000 Hz，作用时间30 min。表7为最优条件下的3次重复实验及结果。

图4 作用时间对沉降效果的影响

由表7可知，在最优条件下实验结果相对稳定。

3 结论

利用声波技术对高岭土进行沉降研究，设计单因素实验和正交实验分析声波频率、声压级、作用时间对高岭土沉降影响，其影响主次顺序为声压级、声波频率、作用时间，得最佳工艺参数为：声压级115 dB，频率 3 000 Hz，作用时间 30 min。

[1] 朱学峰，李艳，黄道平.污水处理过程的控制与优化综述[J].自动化与信息工程，2009，30（3）：7-13.

[2] Westerhoff P，James J.Nitrate removal in zero-valent iron packed columns[J].Water Research，2003，37（8）：1818-1830.

[3] Wood R W，For Mem R S， Loomis L.The physical and biological effects of high-frequency sound-waves of great intensity[J].Philosophical Magazine，1927，Edinburgh（22）：417-436.

[4] Andrade E N D C.Phenomena in a sounding tube[J].Nature，1931，127（3203）：438.

[5] 谭艳芝.超声波对钨酸铵溶液结晶机制影响的研究[D].长沙：中南大学，2004.

[6] Reethof G.Acoustic agglomeration for particulate control at high temperature and high pressure some recent results[J].ASME，1989（12）：l0-15.

[7] Tiwary R，Reethof G.Hydrodynamic interaction of spherical aerosol particles in a high intensity acoustic field[J].Journal of Sound&Vibration，1986，108（1）：33-49.

[8] Rajendran N，Wegrzyn J，Cheng M T，et al.Acoustic precipitation of aerosol under standing-wave condition[J].Journal of Aerosol Science，1979，10（3）：329-338.

[9] Chou K H，Lee P S，Wegrzyn J， et al.Aerosol deposition in acoustically induced turbulent flow[J].Atmospheric Environment，1982，16（6）：1513-1522.

[10] 吴学利.悬浮细颗粒声波团聚的理论与实验研究[D].长沙：国防科学技术大学，2014.

10.13752/j.issn.1007-2217.2017.04.007

2017-08-18