空化及其应用的研究进展

舒金锴，杨光晨，曹秋雨，黎 桥，封茏桂

(1.湖南城市学院 市政与测绘工程学院，湖南 益阳 413000；2.湖南省村镇饮用水水质安全保障工程技术研究中心，湖南 益阳 413000；3.中国核工业第二二建设有限公司，武汉 430000)

当今世界科技水平飞速发展，人们生活日益丰富，人们对生活质量的要求也越来越高，尤其对于水质的要求.我国当前大多数水源都受到不同程度的污染，且有愈演愈烈的趋势，其中淮河、黄河、海河有70%左右河段都遭受到了污染，这些被污染的水源严重地危害着人类身体健康.造成这一切的主要原因就是污废水的超量排放，随着当今社会的飞速发展，这些污废水的排放量还会不断上升，据统计，其增加速度大约为18 亿m³/a，我国如今的污废水日排放量约为1.64 亿m³，其中80%左右的污废水未经处理便实施排放，人们现在急需一种简便高效的水处理方式来解决以上问题.空化现象中的水力空化便能有效地解决这一问题，部分学者开始把目光投向空化作用的研究，随着研究不断深入，人们发现其在实际生产生活中有较广泛用途，且适用范围广[1-5].空化作用可以在许多方面得以利用，如食品工业、水处理、能量收集、生物医学等[6].超声空化、水力空化、光空化、粒子空化[7]是现在世界上主流的4 种空化方式，使用最多的空化方式是超声空化和水力空化.超声空化在空化的过程中只有10%左右的能量用来进行空化反应，而90%以上的能量被用来提升系统温度[8]，其能量利用率过低，难以投入到实际工程中.而光空化和粒子空化因其工作条件要求苛刻以及场地建设困难等难以投入使用.水力空化可处理难降解有机物，具有成本低、能耗小、维护方便、操作简单、效率高等特点.

因此，水力空化便更具现实意义，更容易量产并投入使用.

1 空化现象及机理

空化现象是一种发生在液体介质中剧烈的物理现象.其原理是基于流体中压力发生突变从而出现气泡的产生、发展和湮灭.液体在流动过程中与空气发生接触，气体溶入其中，导致液体中存在大量“气核”，当压力降至空气分离压之下时，液体便产生大量气泡.当压力在这种温度下降低至该液体的饱和蒸汽压之下时，液体便剧烈地沸腾并且同时汽化产生大量的气泡.这些气泡在破灭瞬间会在其周围的空间内产生高达4 927 ℃高温以及51 MPa 的高压，使温度在10 K/s 的频率下变化，保持高频率地持续作用形成400 km/h 的高速射流及产生剧烈的冲击波[9].这些高温、高压等极端条件会引起界面效应、微扰效应、湍流效应和聚能效应的产生.其中，界面效应使传质面积扩大；微扰效应强化了微孔扩散；湍流效应减弱边界层，提升了传质速率；聚能效应增加了分离物质分子的活性.空化形成的剧烈冲击波能断裂大分子的化学键，并使大分子有机物结构破裂，从而降低分子量，形成小分子有机物[10].

2 空化射流装置

空化射流装置可大致分为2 种类型：带运动部件的空化装置和不带运动部件的空化装置.

带运动部件的空化装置通常由旋转叶轮和定子组成.这些设备相当昂贵，维护费用较高.无运动部件的空化装置成本显著降低，被认为是实现水力空化全部潜力的最有前景的途径.不带运动部件的空化装置可进一步分为2 大类：基于线性流动的空化装置和基于旋转流动的空化装置.在线性流动空化装置如节流孔或文丘里管中，工作流体被强制通过节流孔，从而实现低压并因此实现空化；在旋流装置中，则围绕旋转轴产生低压空化区.

对于无运动部件的空化装置，其空化区可以从固体表面充分移除，以消除对装置造成相关损坏的风险[11].流体动力空化需要空化装置的特殊设计，以在流动区域产生低压区，主要是通过迫使液体流过节流孔或文丘里管(传统装置)来增加液体的线速度，或者通过迫使液体以涡流的形式流过涡流二极管之类的装置来增加液体的旋转速度，涡流二极管具有从涡流中心的出口.空化装置的特殊设计中还包括曝气形式(可选)的工艺整合.在传统的装置中，收缩部被设计成使得喉部(最小流动区域)处的速度足够大，以产生空腔，该空腔随后在收缩部更下游的区域中塌陷，从而产生期望的效果.

对于液体以涡流的形式流过涡流二极管之类的空化装置，涡流二极管和出口的尺寸被设计成能产生低压区域，形成空腔，随后经出口离开腔室，在进入高压区域时塌陷.空化性能取决于生成空穴的数量密度和坍塌强度[12].

3 空化应用现状

3.1 激光空化

激光空化技术原理是使激光通过透镜聚焦于液体中，当液体的击穿阈值小于激光能量能时，大量高温高压等离子体会在激光的聚焦区域产生，并在短时间内急速向四周扩张，排挤开旁边的液体从而形成空泡，空泡会在待加工的材料表面经反复多次“膨胀-收缩”，在每次“膨胀-收缩”时会产生微射流和冲击波[13].激光空化优势在于能量进行沉积进而产生空化作用，具有便于控制、定位精准、球对称性好、无形变等特点.

Luo 等[14]采用高速成像技术探究了激光诱导空化气泡经过小孔前后的动力学特性.结果表明，SiO2悬浮液中的小孔可协助激光空化加强表面处理，达到提高表面强度的目的.试验还对激光空化处理后的1060 铝合金的残余应力、粗糙度和表面形貌进行了研究，发现孔洞尺寸和无量纲参数对气泡脉动有很大影响.

王舰航等[15]研究激光空化气泡在其膨胀和溃灭过程中，对其附近超吸水聚合物弹性小球的影响.研究发现在空化气泡膨胀和溃灭持续时间最长时，对弹性小球的拉扯和挤压作用最明显.

3.2 超声空化

超声空化是利用较高的超声波能量作用于液体，使液体中产生气泡.由于超声波能量将液体中的空化核不断地振动、膨胀并且在空中不停地吸收一定的声场能量，当空化核达到一定能量极限时，空化的气泡便可能会急剧地崩溃.超声波的空化作用可以在很大程度上加速反应物及其副产品在空气中的扩散，促使一种新相的形成，以此提高非均相反应速率，控制各种颗粒在空气中的大小及其排布，实现将多种非均相反应物混合均匀的效果.

魏威等[16]利用超声空化强化甲苯烷基化反应，通过响应面法与单因素实验，得出甲苯烷基化生成乙苯的最佳工艺条件为：质量分数20%的甲苯，控制pH 为6，在功率为850 W 下，超声90 min，乙苯最佳产率为34%.实现了甲苯低温烷基化反应，提高了乙苯产率。

廖巨成[17]利用超声空化效应对退役吸附剂SF6进行无害化处理，结果表明:超声清洗对SF6退役吸附剂最佳处理时间为20 min，所得再生吸附剂的吸附能力可恢复至原始吸附剂的85%～90%，此方法比传统方法成本低、效率高且效果更好.

李现瑾等[18]通过厌氧处理结合超声空化技术作用于剩余污泥，试验得出：厌氧处理降低了污泥破解难度，增加厌氧处理时间，对污泥自身性质有较大改变；超声空化对厌氧污泥破解效果优于新鲜污泥.

3.3 水力空化

水力空化是21 世纪兴起的一种新型废水处理方式，其主要用途是处理废水中难以降解的各种有机化合物，例如酚类、多环芳香烃、含氮杂环化合物等.很多发达国家都有重点实验室参与其中，尝试通过相关研究加强其在实际工程中的应用.已有实验研究表明，水力空化与其他空化方式相比有着效果好、成本低、修理维护简便、能源消耗小、操作简单以及在工程中更容易实现等优点.

Anupam 等[20]通过水动力空化技术处理表面活性剂(十二烷基硫酸钠，SDS)废水，试验发现在孔径1.6 mm，反应pH 值为2，压力0.5 MPa 条件下时，反应60 min，SDS 降解率达99.46%.这一数据进一步肯定了水力空化技术在工业应用方面的可行性.

Valentina 等[21]研究了水动力空化在合成水溶液中降解甲基橙的潜力，利用文丘里管在实验室规模上建立了水动力空化.研究结果表明，在400 kPa 的工作压力下，文丘里管最大空化效率达30%；当二氧化钛和过氧化氢等添加剂存在时，降解过程的性能略高于70%.

王永杰等[22]利用水力空化技术处理模拟含苯酚废水，用不同孔板与文丘里管组合作为空化装置.研究表明，苯酚的降解率随着反应时间增加先增大后逐渐趋于稳定，60 min 时降解率最大，此时入口压力为0.4 MPa；此外，孔口排布方式也对苯酚的降解率有较大影响.

杨金刚等[23]针对船舶大气污染物中氮氧化物(NOx)存在脱除困难等问题，进行了水力空化强化二氧化氯(ClO2)脱硝试验.结果显示：最佳压力组合为进口压力300 kPa，出口压力30 kPa；当溶液温度升高，脱硝效果先增加后降低，最佳反应温度为20 ℃.

3.4 粒子空化

粒子空化主要是将载能粒子束集中到固态液体中某个点，该粒子束把能量不断地传递到固态液体，引起液体中的空化核不断膨胀和扩张而形成一个空化气泡，载能粒子又被称为空化气泡成核粒子[24].试验中常考虑中子对物质具有很强的贯通和穿透能力，从而直接从外部作用于目标液体，或者直接向其他液体中添加放射性物质，使其在溶液中发出空化气泡.粒子空化能够利用空化产生的能量强化材料性能，具有穿透力强、贯穿性好等优点.

李欣年等[25]利用5.5 MeV 的α 粒子和2.45 MeV 的快中子作为成核粒子进行了声空化核效应的试验研究，发现超声期间的中子计数大于非超声期间的中子计数.通过测定试验前后的测试液中的氚含量发现，实验后液体中氚含量显著增加，该试验结果显示了不同粒子成核的声空化核效应.

4 结论与展望

目前水力空化及超声空化在处理有毒难降解有机污染物、污水预处理等多方面显示出极大潜力，可为解决水污染问题提供切实可行的方法.粒子空化和光空化也在提高传热速率、改善热交换器及材料表面改性[26]等方面具有非常广阔的应用前景.未来的空化技术将会朝着以下方向发展：

1)研发高效装置.对原有空化装置的构造进行优化设计，不断研发出高效能新型空化装置.

2)利用先进技术手段.利用模拟软件构建不同种类的空化模型，并结合数值模拟、理论分析和实验仿真深入研究，优化实验参数.

3)选用稳定工艺.选取双空化或空化组合工艺的方式，提升处理效果.