超声波在环保方面的应用

功率超声技术在环保、能源领域的应用

邓京军

（中国科学院声学研究所北京100080）

1 引言

上个世纪后期，随着能源供应的紧缺和环境污染治理任务的加重，许多新的技术和工艺、方法逐步进入实验室或工业部门，人们寄希望于新技术、新工艺的研究和应用，能够最大限度地提高能源的产出率、利用率；尽可能降低由于工业化造成的环境污染以及对已经遭到污染的水体、大气、固体废弃物进行治理，进入一条低能耗、低污染，资源循环利用，环境友好的可持续发展轨道，不断推动国民经济健康发展。在众多的新技术应用中，功率超声技术以其特有的优势日益受到人们的重视和关注，在能源和环境保护领域逐步开展了系列的研究和应用。本文仅就功率超声技术在我国石油工业和污水处理中的应用情况做一简单介绍。

2 功率超声作用的机理

所谓功率超声，是指具有一定强度的超声波，其声功率、声强都比较大，一般声强在0.3 W/cm2 以上，在媒质中传播时会产生非线性效应。在其他应用领域，如检测声学中使用的超声波，一般都在小振幅的线性范围内。功率超声波在媒介中传播时，伴随着能量的传播和介质的吸收，在介质中会产生一系列物理、化学效应，使被作用介质的状态或物质结构、组成发生显著变化。这些效应大致可归纳为以下三个。

2.1机械效应

线性小振幅声波在液体中传播时，液体质点受到声波的扰动后会在其平衡位置附近做微小的振动，振幅约μm量级，液体质点没有宏观上的移动和迁移，但其振动速度和加速度很大。例如，考虑声强为1W/cm2、频率为20kHz的超声波在水中传播，如果液体质点位移振幅为5μm，则质点要经受压力在正负1.7atm之间以每秒2万次的重复频率做周期性变化，质点振动速度约为0.63m/s,而振动的加速度达到8.9×104 m/s2 ,大约为重力加速度的9000倍。这样激烈而快速变化的机械运动，对于液体中的固体微粒、大分子团聚等，使其与溶剂分子之间产生剧烈的摩擦，强大的剪切作用足以使固体颗粒被粉碎，有机体和聚合物中的C-C , C=C , C=O 键被打断，微生物体被撕裂等等。

大振幅声波作用于液体介质时，由于有限振幅波的非线性作用，在液体中会产生声流和声辐射压。声场中的物体受到一个时间平均不为零的辐射力的作用，会引起物体的宏观迁移。同时，在液体中还会产生声空化和微射流效应。在均相介质中，以空化现象为主；而在非均相介质中，则以微声流为主。例如，可以在液-固边界上产生Jet 喷注现象，射流速率可达100m/s, 是广泛应用的超声清洗技术的主要机理。

2.2 空化效应

空化是液体介质中普遍存在的一种自然现象。当声波或超声波作用于液体介质时，液体介质中某点会经历周期性的压缩、膨胀过程。当处于膨胀相时，如果此时声压的幅值小于该点所在温度下的液体饱和蒸汽压，即出现负压，则原来溶解在液体中的气体会以气泡形式析

出并迅速长大，直径几个微米至数十微米不等；在随后到来的压缩相中，这些气泡在正压的作用下快速闭合，气泡体积急剧减小直至崩溃。一般称这种现象为声空化。声空化主要表现在二个下述方面。

(1) 气泡内部及气泡外部极小的空间区域内：气泡在闭合、崩溃之前，在气泡内部会产生高温、高压、声致发光等现象，泡内的高温、高压会使气泡内的气体产生常温下难以发生的物理、化学变化，主要包括：

a. 基于普遍被接受的Noltingk-Nappiras“热点”空化模型[1,2]，空泡溃灭时，在空泡的内部和空泡周围极小的空间内出现高温（5200K以上）、高压（50MPa以上）。这样的极端条件（高温、高压）足以打开结合力强的化学键，如C-C,C=C ,C=O等，发生所谓的“水相燃烧”反应，空泡内的水蒸汽以及在气泡膨胀相内由气泡壁扩散进去的溶质蒸汽都可能被热分解。

b. 空化泡产生的高温、高压，可以将含水溶液中的H2O 水分子分解为•H和•OH 自由基[3,4]。氧化能力仅次于氟的羟基自由基•OH，以及由•OH 结合成的H2O2,可以直接氧化水中的有机体、聚合物，使常规条件下难以处理的污染物得以降解。

c. 空泡溃灭时产生的高温高压超过了水的临界点（T c=374℃，P c= 22 MPa）, 存在瞬态局域超临界水，将发生超临界水氧化反应[5]。超临界水被认为是氧化有机物的良好介质，可以去除绝大部分水中的污染物。但是，由于常规获得超临界状态的方法对容器壁的腐蚀非常严重，在实际应用中有一定的局限性。与此相比，超声引发的超临界水氧化反应是在常温、常压的液体中很小的局部区域内进行的，没有超临界水对容器壁的腐蚀问题，因而成为人们关注的处理有机污染物的新方法之一。

(2) 气泡外部：在气泡外部，由于气泡的剧烈塌缩、崩溃，会产生强烈的向外辐射的激波，同时，气泡内部高压的释放、高温急剧降落，可以形成极大的压力、温度梯度。这种冲击波作用于气泡周围的液体介质，会使液体的结构发生变化。单一气泡产生的激波其作用距离是“近程”的，由于介质的吸收等很快耗散掉，但在功率超声产生的声场中，由于存在大量的空化气泡，整体累积作用相当明显。另外，在泡内形成的自由基、过氧化氢等强氧化剂随着气泡的溃灭进入到气泡周围的液体中，对液体中的有机物、聚合体产生氧化作用。

综上所述，可以认为在气泡内部以化学效应为主；气泡外部以力学、机械效应为主。

2.3热效应

超声波在介质中传播，其振动能量不断被介质吸收转变为热能，使得液体温度升高，形成对液体的加热。在液-固边界处还可以形成对固体的局部加热。总的来说，超声加热效率比较低，不如其机械、化学、空化效应显著。

3 功率超声技术在环保领域的应用

环境保护是全球化的问题。对于我国这样一个发展中国家，随着工业化、城市化进程的加速，治理环境污染和加强环境保护工作刻不容缓。在众多的污染治理研究中，水污染治理是功率超声技术应用比较广泛的领域。目前，一般工业和生活污水的处理工艺已日益成熟，但对于造成水污染最严重的难降解有机污水的处理仍是十分困难的问题，特别是对于已经经过处理但浓度仍然超标的低浓度有机废水，由于传统方法已经无法处理，深度处理成本太高，大多数企业采取了直接排放，造成地表及地下水源的污染积累，加剧了水体污染的程度，成为污水处理的难题。功率超声技术集空化效应产生的自由基氧化、高温热解、超临界水氧化