超声波阻垢性能的研究

超声波阻垢性能的研究

梁成浩,　白忻平

(大连理工大学化工学院,辽宁大连116012)

摘　要:　对水处理系统施加20kHz 的超声波,研究了其对阻垢的作用。结果表明,超声处理

具有明显的阻垢功效,阻垢率可达85%以上,适宜的超声处理时间为间隔10min 开启3min 。阻垢原因主要是超声产生的空化效应和超声的非线性振动使垢沉积的诱导期延长,减少了稳态晶胚数量和阻滞其进一步长大,同时加强了晶粒的去除力所致。 关键词:　超声波;　阻垢;　空化效应;　非线形振动

中图分类号:TU991.26 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2003)13-0064-03

目前各种形式的阻垢处理技术发展迅速,主要

有磁处理、高频电场处理、静电处理、高能电子辐射处理、超声处理等。各种物理方法中,超声波所能提供的能量较大。功率超声是利用振动形式的能量使物质的一些物理、化学和生物特征状态发生改变或者使这种改变过程加快的一门技术。目前主要在超声清洗上得到应用,而在阻垢方面的应用报道较少。对水的超声处理,可利用超声独有的空化效应使CaCO 3晶体析出的诱导期延长,从而达到阻垢的目的。

1　实验方法111　实验装置

实验装置由超声波发生器、换能器、清洗槽、自

耦变压器和U 型铜加热棒组成,如图1所示。

图1　超声实验装置

112　超声波发生器

超声波发生器为北京金星超声波研究所制造,

频率选择为20kHz ,功率为100W

,换热器选用压

电式换能器。113　阻垢性能实验

实验介质为蒸馏水配制的高Ca

2+

水、高SO 2-

4

水和高碱度水。将溶液每隔一定时间在蒸发浓缩条件下进行超声处理和空白实验,Ca 2+

和碱度的测定分别采用ED TA 络合滴定法及酸碱滴定甲基橙指示剂法。阻垢率的计算如下:

　阻垢率=(1-加超声后的结垢量Π空白实验

结垢量)×100%

(1)2　实验结果211　超声与空白实验

图2示出高Ca 2+

水溶液进行超声与空白实验

结果。

图2　高Ca 2+水中Ca 2+浓度随时间的变化

加载超声的时间为间隔10min 加载3min ,采

中国给水排水

2003Vol.19 CHINA WA TER &WASTEWA TER No.13

用蒸发浓缩方式。由图2可见,加载超声后随时间

的延长Ca 2+

浓度呈下降趋势,但比空白实验的下降幅度小。这说明加载超声后超声所产生的空化现象

使Ca 2+与CO 2-3结合变得困难。

212　SO 2-

4

水溶液的超声实验

在300mg ΠL SO 2-4水溶液中进行超声处理的实验结果示于图3。结果表明,在含SO 2-

4的水溶液中施加超声的效果比含Ca 2+

的水中优异。这是由于CaSO 4的溶解度要比CaCO 3大,所以超声波处理有明显的阻垢作用

。

图3　含SO 2-4

水中Ca 2+浓度随时间的变化213　温度对碱度的影响

在蒸发浓缩时不同温度下超声对碱度的影响结果见图4。施加超声后,随着温度的升高碱度呈线性上升,其上升幅度远大于空白实验。可见加载超声后Ca

2+

和CO 2-

3

的结合过程变得缓慢,从而使

HCO -3的变化不大所致

。

图4　不同温度下超声对碱度的影响

214　时间与阻垢率

施加超声时间对阻垢率的影响示于图5。选定

10min 作为一个周期,分别对含有158g ΠLCa 2+

和250g ΠL 的HCO -

3的水溶液,考察了50℃下不同超

声处理时间对阻垢率的影响。每10min 开启1min

的超声处理,阻垢效果不显著(约为75%)。但开启

3min 的效果可达85%以上,之后随超声时间的延长阻垢率增幅较小。由此可知,超声处理较适宜的时间为每10min 开启3～5min

。

图5　施加超声时间对阻垢率的影响

215　滞后效应

控制水温为50℃,开启超声处理0.5h 后关闭

超声发生器,每隔15min 进行Ca 2+

浓度测定,结果见图6。在关闭超声后,随着时间的延长,Ca 2+

浓度一直呈下降的趋势,说明开启超声处理后滞后的效果并不明显。这是由于不进行超声处理时不产生空

化现象,从而使Ca 2+

在不施加超声处理后呈急剧下降的趋势

。

图6　超声处理的滞后效应

3　讨论

根据晶体生长动力学理论,诱导期是结垢过程的

诱发和起始阶段。可把诱导期划分为三步骤:①已饱和溶液中拟稳态晶胚的产生;②壁面上稳定晶核的形成;③晶核的生长。上述步骤是一个连续的过程,其中任何一个环节受到阻滞都会引起结垢过程的延缓,从而使诱导期无限延长以达到阻垢的效果。

在施加超声波处理时,根据超声的空化理论,稳定空化和微声流可以在壁面上提供一种溶解机制[1]

。微射流和微声流可使脉动气泡表面处存在很

高的速度梯度和粘滞应力,这种应力有时高达10-2 NΠcm2以上[2],并在垢形成的诱导期阶段,对拟稳态晶胚的生长具有很大的破坏作用。超过临界尺寸的晶胚在热力学上是不稳定的,有可能重新溶解。在超声的作用下,气泡闭合所产生冲击波和微射流的冲击都可以使拟稳态晶胚的生长受到阻滞,使其晶胚的生长不能超过临界尺度,不能生成稳定的生长源,或使稳定生长源的数量大大减少,导致诱导期的延长。

成垢微粒的自由移去主要是由于流体的剪力作用使垢质从垢层中再脱除。就碳酸钙垢而言,由于受热过程中成垢离子在壁面上达到饱和后先发生核化,但成核中心也并非都在壁面上出现,总有相当数量的亚微细微粒在紧靠壁面处成为引发成核的中心,使后来的结晶在壁面上和紧贴壁面的流体中共同发生。而且当过饱和度足够大时,新扩散来的离子优先在表面和亚微细离子上成核,然后生成为晶体。在亚微细粒上所形成的晶核与微晶以分散游离状态存在于邻近壁面的溶液中,随着溶液的湍流流动而部分地被移走,另一部分则等待嵌入垢层。在对溶液施加超声波处理时,其在媒质中传播时有振动的非线性作用,这种振动的非线性将引起一些力,如直流定向力、辐射力等[3],这在一定程度上起着湍流造成的剪切力导致的同样效果。同时,超声空化产生的微射流也能够除去或削弱边界污层,增加搅拌作用,使等待嵌入垢层的游离晶粒的几率增大。在行波场中的计算表明,20kHz、2WΠcm2的超声波在溶液中传播时,可引起质点的振动位移幅度为1.32μm、速度为0.16mΠs、加速度为2.04×104mΠs2[4]。由此可见,施加超声波处理时与不施加时相比,湍流产生的剪切力使晶粒自由移去的作用显著。这些有益的作用在图2、3和图4的实验结果中得到了证实。

碳酸钙垢的扫描电镜观察表明,未经超声处理的垢微观形貌呈细小的颗粒和棒状的结晶状态,并紧密交织在一起,颗粒粒度在十几微米以下。该颗粒是由过饱和的钙离子生成的结晶核心和固相晶胚,它们之间相互聚集交织形成垢,这种垢均匀细密、不易溶解。超声处理后,垢的微观垢层较疏松、颗粒和棒状结晶尺寸变大,同时结晶数目减小,说明超声处理对水系统有较好的阻垢作用。

4　结论

①　超声具有明显的阻垢功效,施加20kHz的超声波可使Ca2+和CO2-

3

的结合过程变得缓慢,使阻垢率达到85%以上。

②　适宜的超声处理时间为间隔10min开启3 min。在上述处理时间周期内,超声没有明显的滞后效应。

③　超声产生的空化效应和超声的非线性振动使垢沉积的诱导期延长,减少了稳态晶胚数量且阻滞其进一步长大,并加强对晶粒的去除力,从而达到阻垢的效果。

参考文献:

[1]　冯若.超声清洗及物理机制[J].应用声学,1993,13

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[2]　Shoeywk V L,Jenkins D.蒋展鹏译.水化学[M].北京:

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[3]　袁易全.超生换热器[M].南京:南京大学出版社,

1992.

[4]　应崇福.超声学[M].北京:科学出版社,1993.

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收稿日期:2003-10-28