水力空化声发射特性及其对硫离子处理效果的影响

桑勋源，张新军，赵晓锋

(1.青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛 266101；2.中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257000)

水力空化是一种独特的水力现象，可以通过类似孔板[1-2]、文丘里管[3-4]、阀门[5]的节流件产生，甚至泵[6]和涡轮[7-8]也会产生水力空化。当流体经过节流部位时，随着压力的降低，流体流速增大。当压力由于节流降低到产生空化的压力(通常是运行环境温度下的饱和蒸气压)时，空化气泡就会产生。在节流口的下游，又随着流通面积的增大，压力开始回升，这就导致了空化气泡的溃灭[9]。空泡在溃灭过程中会产生高温高压的极端条件[10]，并打开水分子键，产生具有强氧化性的·OH及H2O2。

利用水力空化的物理特性及化学特性可进行有机物、细菌、病毒等污水中有害物质的处理[11-12]。Jyoti等[13]研究了臭氧与声空化、水力空化、过氧化氢等单独或耦合处理各种细菌的效果，发现声空化及水力空化皆可单独处理氧化细菌，并且可以耦合臭氧达到更优处理效果。冯高坡等[14]进行了臭氧联合水力空化去除油田污水COD的研究，发现当孔板作为空化发生器时，更大的过流面积可以更好地增加水力空化对COD的去除效果。

在水力空化产生的过程中，还会伴有独特的声发射信号[15]。利用FFT处理声发射信号，可以得到水力空化声发射信号的主要频率及振幅[16]。郑文军[17]通过对Ecowirl空化器的声发射信号进行FFT处理后，提出声压信号是由空化泡溃灭产生的，且空泡溃灭处的声压幅值远大于非空化处的检测值。吴鹏飞等[18]通过对比声-流耦合空化与单独声空化及单独水力空化的声信号频率及幅值，发现声发射信号表明了3种空化之间的强度关系。在水力空化的声发射信号研究中，不同条件下的空化噪声谱是不尽相同的，要找出空化噪声谱之间的规律性，还需进行更多的试验及理论研究[19]。而将水力空化的氧化性能与声学特性进行对比分析的相关研究少之又少，如冯中营[15]研究了水力空化的声发射特性及其对罗丹明B的氧化处理效果，但未能明确两者之间的规律。本文对水力空化的声发射信号进行了采集，并将水力空化用于对含硫污水中硫离子的氧化处理，寻求两者之间的关系及其受到孔板结构影响的规律，为水力空化特性研究提供理论试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验装置如图1所示。整体试验管路管径为20 mm，试验污水静置在100 L污水罐中，污水罐外设水浴套管进行降温，以防止水力空化及泵造成的温度升高。管路中使用多级离心泵进行流体加压，通过流量计下游的阀门V5、V6进行流量及压力的调节。试验孔板安装在电磁流量计下游，在孔板上游10 cm及下游30 cm处设置压力变送器进行压力的监控，并在孔板下游10 cm处设置声发射传感器采集声发射信号，取样口则位于传感器下游60 cm处。

注：1-污水罐；2-污水出口；3-多级离心泵；4-电磁流量计；5、8-压力变送器；6-孔板；7-声发射传感器；9-取样口图1 水力空化装置Fig.1 Hydraulic Cavitation Device

试验使用的孔板发生器为有机玻璃材质，厚度为10 mm，并设置7种不同结构孔板，孔板结构参数如表1所示。其中，孔板1、2、3为开孔直径不同的单孔孔板；孔板1、4、5、6为孔径为2 mm、开孔数不同的孔板；孔板3、4、7则为过流面积相同而开孔直径不同的孔板。

表1 试验孔板结构参数Tab.1 Parameters of Orifice Plates Structure

1.2 试验方法

声发射采集试验中的管路用水为自来水，水力空化处理含硫污水试验中的污水为配置的模拟污水，模拟污水通过分析纯的九水硫化钠晶体和蒸馏水配制而成。

本文所述的试验在30 ℃溶液中进行，进口压力为200～600 kPa，pH值为11。声发射数据通过美国PAC公司的WD声发射传感器(最高响应频率为1 000 kHz，谐振频率为125 kHz)进行采集，采集时间为20 s，利用SAEU2S型声发射仪将采集的信号进行转换并传输至电脑。水力空化处理含硫污水试验中，每组试验污水处理量为30 L，初始质量浓度设计值约为100 mg/L，处理时长为60 min，每10 min进行1次采样。

图3 400 kPa进口压力下不同孔板的声信号频谱Fig.3 AE Amplitude Spectrum of Orifice Plates under the Inlet Pressure of 400 kPa

1.3 分析方法

试验中采集到的声发射数据使用FFT进行处理。硫离子浓度通过日本岛津公司生产的紫外分光光度计进行检测。首先确定了硫离子对紫外光的最大吸收波长为224.4 nm，然后配制不同浓度Na2S标准溶液进行标定，最终确定的可测量质量浓度为0～15 mg/L(图2)。每次试验的样品皆添加BaCl2溶液以排除BaSO4沉淀对样品检测的干扰，并添加NaOH溶液将样品pH值调节至11以上，保证测量结果的准确性。

图2 硫化钠溶液吸光度曲线Fig.2 Spectrophotometric Curve of Na2S Standard Solution

2 结果与讨论

2.1 开孔直径对水力空化的影响

本文对水力空化在200～600 kPa进口压力下的声发射信号进行了采集及处理。为了更直观地比较不同孔板结构下的声发射特性，对每种孔板在400 kPa进口压力下的声发射信号进行单独分析。图3为开孔数相同、开孔直径不同的孔板1、2、3在进口压力400 kPa下的声信号频谱。由图3可知，水力空化过程中产生了明显可以测量的声发射信号数据，且频率在17～50 kHz，主峰值频率则在20 kHz以上，高于人耳可以听到的最高频率20 kHz。因此，仅凭人耳听到的声音并不能准确判断水力空化的强度或空泡溃灭强度。同时，随着开孔直径的增大，声信号的整体幅值会随之增大，而主峰值的频率分布则较广，具有一定的相似性。

图5 400 kPa进口压力下不同孔板的声信号频谱Fig.5 AE Amplitude Spectrum of Orifice Plates under the Inlet Pressure of 400 kPa

3种不同孔板产生的水力空化对含硫污水中硫离子的去除量如图4所示。在相同的处理时间下，随着孔板开孔直径的增大，水力空化对含硫污水中硫离子的去除效果随之增强，硫离子去除量从0.1 g提升至0.9 g。Rajoriya等[20]进行了圆形及方形单孔板的水力空化处理活性蓝13的试验，发现随着圆形孔板的孔径增大，或单孔板的过流面积增大，活性蓝13的去除率会随之升高，与本文的结果相吻合。这一趋势与声信号幅值随孔径变化的趋势相同。空泡的溃灭会产生强氧化剂·OH及H2O2，进而影响水力空化处理含硫污水的能力。分析认为，水力空化声信号的产生主要源于空泡的溃灭，而声发射信号的强度反映了水力空化对硫离子处理能力的强弱。

图4 孔径对硫离子去除量的影响Fig.4 Effect of Aperture on Sulfide Iron Removal

2.2 开孔数对水力空化的影响

图5为开孔数不同、开孔直径相同的孔板4、5、6在400 kPa进口压力下的声信号频谱。结合孔板1的频谱可以看出，同一进口压力下，水力空化声发射信号的强度会随着开孔数的增多而增大。据此可以预测，硫离子的处理效果亦会随着开孔数的增多而增强。

图6为开孔数不同的4种孔板对含硫污水中硫离子的去除量。在相同处理时间内，开孔数为1个、4个、8个的孔板，硫离子去除量随着开孔数的增多而增大，与水力空化声发射信号的振幅随开孔数增多而变化的趋势相一致。但当继续增大开孔数时，声发射信号具有更高振幅的孔板6则不一定具有更强的硫离子处理能力。Sivakumar等[21]和Balasundaram等[22]的试验就得出了污水处理效果会随着开孔数增多而增强的结论。王伟民[23]测量了不同开孔数的多孔孔板对氯仿的降解效果，发现氯仿的降解率随着开孔数的增多而先增大后减小，与本文得到的试验结果具有一定的一致性。通过对比不同孔板对硫离子的处理效果发现，尽管不同孔板在声发射信号的幅值及频率上有所差别，但硫离子的最高去除量都在0.9 g附近。分析认为，当管径相同、孔板厚度相同时，孔板对硫离子的处理效果存在上限，这是由于水力空化产生的·OH的产量具有最高值，Tao等[24]测得的空化产生的·OH最多，为1.274 3×10-4mol/(m3·s1)。

图6 开孔数对硫离子去除量的影响Fig.6 Effect of Numbers of Holes on Sulfide Iron Removal

2.3 相同过流面积、不同开孔直径孔板的对比

图7为400 kPa进口压力下孔板7的声信号频谱。对比过流面积相同而开孔直径不同的孔板3、4的声信号频谱图可以看出，孔板7的声信号强度最强，孔板4的声信号强度最弱。

图7 400 kPa进口压力下孔板7的声信号频谱Fig.7 AE Amplitude Spectrum of Orifice Plate 7 under the Inlet Pressure of 400 kPa

过流面积相同而开孔直径不同的孔板3、4、7对硫离子的去除量如图8所示。单孔孔板3的硫离子的去除量最大，而多孔孔板的硫离子去除量则随着开孔数的增多而增大。Sivakumar等[21]利用多孔孔板处理罗丹明B的试验，就得出了相同的结论，发现在给定的过流面积下，越多的开孔数及越小的孔径会有更好的去除效果，与本文的结果相一致。Balasundaram等[22]利用多孔孔板进行细胞的降解试验亦得出了相同的结论。对比3种孔板的声信号频谱图可以看出，孔板3、4的声信号频谱图的幅值变化规律与硫离子处理效果的强弱相对应。而声信号强度最强的孔板7则不具有更强的硫离子处理效果，分析认为孔板7的高声信号幅值是由过窄的孔径引起的。

图8 相同过流面积时开孔直径对硫离子去除量的影响Fig.8 Effect of Aperture on Sulfide Iron Removal at the Same Overcurrent Area

3 结论

本文综合讨论了水力空化的声发射特性及其对含硫污水中硫离子处理能力的影响。通过改变孔板结构及水力空化进口压力，并对水力空化声发射信号进行采集，发现水力空化空泡的溃灭是产生声发射信号的主要原因之一。

最终，水力空化处理含硫污水的试验证明了水力空化可以处理含硫污水中的硫离子。结合水力空化的声发射特性得出以下结论。

(1)在相同的过流面积下，增大多孔孔板的开孔数可以增大硫离子的去除量，而选择单孔孔板作为空化发生器可以得到更佳的硫离子处理效果，且硫离子处理效果随声发射信号幅值(除1 mm孔径孔板)的增加而增加。

(2)增大单孔板的开孔直径可增大声发射信号的幅值，同时硫离子处理效果亦得到增强。

(3)在相同的开孔直径下，增大孔板打孔数可以增大声发射信号的幅值，进而使得硫离子的处理效果得到增强。

(4)仅通过调节进口压力及孔板开孔结构对提升水力空化处理硫离子的能力是有上限的。

(5)通过对声发射数据进行快速傅里叶变换，分析其主波峰的振幅，可以预测2 mm孔径及以上孔板的水力空化处理硫离子的能力。