水力空化技術最新應用研究進展

程海濤*，申獻雙

1. 衡水學院化工學院（衡水 053000）；2. 衡水學院美術學院（衡水 053000）

水力空化最近作為一種新型高效處理技術被廣泛應用于化工過程、環境污染治理、生物化工、藥物合成與制劑、食品過程加工、乳液聚合物合成等領域，并且應用的領域仍在飛速地擴展[1]。

對水力空化技術機理、水力空化裝置設計、水力空化在不同領域應用進行了綜述。深入探討了水力空化作用的基本參數空化數定義與其影響因素的關系式，最終得到空化數計算公式，用于描述空化效應，解釋空化效應下空化泡的產生、生長、潰滅整個過程。對現有水力空化裝置類型進行了總結，給出了現有空化裝置結構圖，以及水力空化應用工藝流程圖。最后，對于最新水力空化技術應用在不同領域的機理、影響規律、研究結果進行了分析、總結，為水力空化技術應用提供全面的理論、技術基礎。

1 水力空化理論基礎

不同領域的研究者在研究水力空化技術應用于本領域的過程中，都非常重視利用空化數（也稱為空化參數，σ值）作為描述水力空化作用機理、裝置參數設計、試驗程序安排等研究內容的基礎理論。Saharan等[2]研究說明，水力空化數在0.13～0.18范圍內水力空化技術的脫色效率最高。Rautjadhav等[3]，試驗研究表明，最佳水力空化數σ=0.067。Sivakumar等[4]經過研究得出較低的空化數可以提高藥物的降解程度。Badve等[5]研究表明，σ=0.4時COD的降解率最大。Bagal等[6]經過研究表明，空化效果最大時，水力空化數σ=0.1-1。Gogate[7]經研究指出，水力空化最初出現時σ=1，當σ小于1時出現強烈空化效應。Capocelli等[8]研究揭示，當在去除率和能量效率方面最優條件下，σ=0.25。Wang等[9]研究結果說明，甲草胺降解率與空化數值有密切的關系。Gore等[10]研究指出，活性橙4的降解由空化數和其他參數決定。Kumar等[11]揭示了空化數影響化學反應的規律。Sawantet等[12]預測了各種空化裝置中發生空化時空化數強度，經過研究表明空化數可作為水力空化裝置性能比較的參數。Wu等[13]研究了不同形狀空化裝置的空化數，研究表明空化效應出現時σ遠小于1。Filho等[14]利用空化技術滅活時空化數σ=0.14。Aroyo等[15]與Mezule等[16]的研究過程僅指出了影響空化裝置的空化數σ，并未針對其他細節進行研究。

1.1 水力空化產生機理

水力空化產生機理[1]根源在于：當液體中的壓力下降到低于特定溫度下液體的蒸汽壓力時，液體內部出現蒸汽泡。條件如式（1）所示。多數科研工作者傾向于使用非維度化的數值，在這種情形下壓力系數（也稱為歐拉數）如式（2）所示。結合式（1）和（2）式，空化首次發生系數定義如式（3）所示。如果CP,min被確定，那么參考壓力下首次出現空化參數P0,cav可被式（4）定義。式（4）取決于幾何形狀，流體，流體溫度和流速。

式中：Pmin是最小靜壓力；PV為液體在給定溫度下的飽和蒸氣壓。

式中：P0和V0是初始壓力和速度。

式中：CP,min為負數，是幾何和速度的函數。

1.2 空化數的定義[1]

Diether Thoma在1920年定義的空化數是歐拉數的一種。它是一種無量綱參數，從那時起被用于評價空化的可能性，空化數σ如公式（5）所示。任何形式的流體流動，空化與否，都可以歸因于空化數，其值又取決于幾何形狀、流體、流體溫度和流動速度。 空化首次出現的條件也可寫為式（6）：

降低空化數值會導致空化現象或已經存在空化程度的增加。

1.3 空化效應

水力空化效應的產生，起源于流體內壓力低于飽和蒸氣壓流體汽化產生的氣泡-空化泡，隨著流體壓力繼續降低、體積繼續增大，當壓力恢復到以往壓力時，潰滅時產生的高溫、高壓、強烈的沖擊波及高時速的微射流，會引發流體流場中出現多種倍加效應[17]：（1）瞬間高能量的作用會破壞物質化學鍵形成高能量、高活性自由基，引發自由基鏈式反應，起到強化化學反應過程的作用；（2）由空化數定義與計算公式可以得出，為了產生空化泡發生空化效應，流體要提高流速達到降低壓力的目的，在流場內部產生沖擊流和微射流，產生強烈的擾動機械效應，強化了流場內部物質的擴散與接觸，加速了流體內部傳質過程；（3）空化泡潰滅產生的局部高溫，會形成局部熱點效應，能量會向釋放到周圍空間，能量傳遞過程會破壞分子化學鍵，使物質分子量降低，達到強化物質分解的目的。

2 水力空化裝置

水力空化裝置是水力空化工藝中主要組成部分。水力空化裝置設計機理，基于水力空化的產生即生成空化泡的初始條件，流體的壓力要低于流體飽和蒸氣壓。由空化數公式（5）推理可知，提高流體速度、流體壓力降低，均會對空化數產生影響，但是結合實際情況，水力空化部件的結構設計要達到提高流速的目的。

基于以上機理，水力空化裝置主要有渦流空化裝置、多孔板水力空化裝置、文丘里管式空化裝置、撞擊流空化裝置[18]，除了水力空化裝置部件，水力空化工藝流程中還有動力裝置（離心泵），以及相應的閥門、體系溫度控制部件，具體圖解分別如圖1和圖2所示。水力空化工藝流程中，水力空化裝置的位置，有兩種形式，分別在管路、浸沒于液面下面。

圖1 水力空化部件結構圖

圖2 水力空化工業化組合設計

3 水力空化技術的應用

3.1 降解有機物

水力空化降解有機物機理在于，水力空化產生的高溫、高壓的熱效應與產生高活性自由基效應，破壞有機化合物化學鍵或者引起有機化合物自由基鏈式降解反應。研究者根據此原理，研究了水力空化過程中壓力、時間、溫度等因素影響有機物降解的規律，優化操作條件，得到降解有關有機物的最優水力空化工藝。同時，根據自身降解目標的狀態與實際情況，設計了有針對性的水力空化裝置，優化了有關設計參數。

盧貴玲等[19]利用孔板水力空化-Fenton試劑協同體系降解雙酚A。孔徑1 mm、孔板直徑40 cm、孔數61與Fenton試劑空化降解效果最好；Fe2+濃度越大，強化降解越好；水力空化壓差、過氧化氫對雙酚A的降解效果會出現極值。

鄧冬梅等[20]探討了撞擊流-文丘里管空化組合裝置降解焦化廢水可溶性有機物機理。經UV-Vis光譜分析，空化過程中羥基自由基進攻有機物分子中碳碳雙鍵，芳環結構被破壞，有機物變為小分子化合物。

孔維甸等[21]研究了水力空化強化二氧化氯氧化苯酚的降解機理。降解過程符合一級動力學規律；效率提高40%；隨著壓力增大，降解率先增大后減小；增加孔數、開孔環狀分布，降解率較高；降解過程從醌類化合物氧化為脂肪酸，最終降解為水和二氧化碳。

鄧橙等[22]研究了多孔孔板水力空化裝置，降解石油廢水的機理及影響因素。羥基自由基，引發鏈式自由基降解，產物為二氧化碳和水；石油廢水有機物的去除效率為84.28%，不引發二次污染；奠定了水力空化、吸附、膜分離協同處理石油廢水理論基礎。

徐美娟等[23]利用水力空化-Fenton試劑協同處理廢紙制漿廢水，研究孔板特性參數對廢水降解效果的影響。降解制漿廢水符合一級反應動力學方程；過流率相同，縮小孔徑提高降解效果；交錯式孔口布局強化空化均勻分布；空化降解存在臨界空化數。

3.2 水力空化物理改性

水力空化物理改性，是指物質結構的變化所需要的能量或活性物質，是由流體物理性質改變而引發的，水力空化過程中，流體經過水力空化裝置，流速增加壓力低于液體飽和蒸氣壓而產生的空化泡，空化泡隨流體流動而生長、潰滅，產生強大能量場，從而引發物質結構變化。

任仙娥等[24]通過渦流空化裝置，研究水力空化對大豆分離蛋白結構的影響。水力空化處理樣品30 min乳化性、起泡性達到最大值；水力空化有利于功能蛋白的改性，有工業化的成本、操作、能耗的優勢。

黃永春等[25]研究水力空化強化亞硫酸鈣澄清原糖液過程中脫色效果。自行設計了渦流空化裝置；強化亞硫酸鈣脫色原糖液效果顯著，脫色率提高9.7%；優化工藝為空化時間5 s、壓力0.1 MPa、溫度50 ℃。

黃永春等[26]研究了水力空化對原糖溶液表面張力的影響，拓展了在制糖工業的應用。渦流水力空化作用初始表面張力顯著下降；原糖溶液表面張力隨水力空化溫度下降、水力空化壓力增加、原糖溶液濃度提高而降低。

3.3 水力空化滅活微生物

水力空化殺菌滅活微生物，機理在于水力空化產生的熱效應、沖擊效應等物理效應破壞了微生物的細胞結構，使微生物細胞代謝過程受到影響，抑制微生物繁殖，達到滅活、殺菌的效果。

董志勇等[27]將方孔多孔板與文丘里串聯，滅活自來水中總菌落與大腸桿菌。25方孔交錯設計、喉部300 mm、出口角度4.3°串聯空化裝置滅活效果最理想；水力空化時間20 min滅活效果達到極值。

李大慶等[28]將三角孔多孔板與文丘里管空化裝置組合，對勝利河原水進行滅活研究。單位面積孔口越多滅菌效率越高；交錯式優于棋盤式空化效果；交錯排列式孔板與文丘里組合滅活效果最優。

王磊等[29]研制了可變擴散角的文丘里管，用于殺滅水中微生物。提高喉部流速，降低空化數，提高殺滅微生物效率；空化效果最佳參數：擴散角α=4.3°，擴散段450 mm，流速30.70 m/s。

田一平等[30]研究了常壓電離放電協同水力空化滅活飲用水機理。空化過程中高濃度氧自由基是殺菌凈化的根源；最優強電離放電工藝參數：時間3～10 s、功率160 W、自由基質量濃度0.8～1.2 mg/L。

葉德寧等[31]設計了水力空化-電解耦合設備。流體經空化裝置直接撞擊電極板提高電子傳遞效率。水力空化-電解耦合破壞藻類細胞超微結構，細胞壁與細胞質剝落、溶化，達到抑藻效果。

3.4 水力空化強化化合物的制備

有機化合物的合成過程需要分子間有效的接觸距離與接觸頻率，水力空化的空化效應在流體流場內部產生沖擊流和微射流，產生強烈的擾動機械效應，強化了流場內部物質的擴散與接觸，加速了流體內部傳質過程，尤其是對互不相溶的兩相反應過程強化效果更為顯著。

張昆明等[32]設計了強化離子交聯法制備殼聚糖抗菌微粒過程的文丘里管。裝置參數入口直徑15 mm、出口直徑20 mm、縮段10.2 mm、喉管段12 mm、擴張段長度18 mm、喉管直徑3.2 mm。最優工藝：壓力0.2 MPa、時間20 min、質量濃度3.0 g/L、TPP-殼聚糖6∶15、MIT 0.5 mmol/L，微粒粒徑均勻、分散性好、粒徑更細、包封率更高。

陳衛等[33]自行設計了一種用于強化液-液非均相反應體系制備化合物的水力空化裝置。水力空化微觀混合，克服了機械攪拌過程中旋渦的出現，產率提高，能耗降低，時間縮短。通過正交試驗，對環氧大豆油制備的工藝條件進行了優化。

俞云良等[34]利用孔板水力空化，強化高芥酸菜籽油、甲醇/KOH制備芥酸甲酯與脂肪酸甲酯。通過增強醇-油不相溶體系的乳化效果，增加兩相的接觸機會與面積，加快傳質速率，提高產率；反應時間縮減50%，產率提高5%，原料利用率接近100%。

3.5 水力空化過程的數值模擬

為了研究水力空化過程有關流場、空化泡分布特征，利用有關數學模型、有關模擬軟件、現代化成像觀測儀器，對水力空化現象進行觀測、仿真模擬、進行數學計算，得到體現有關流場變化規律的模型，最終利用實際水力空化試驗對進行模型進行驗證，最終確定有關公式。

張赟閣等[35]利用二維軸對稱模型，模擬文丘里水力空化流動流場特性。空化壓力比值小于0.7產生顯著空化現象，流量變化不明顯；含氣率隨空化壓力比值增大而減小，大于0.2時含氣率穩定在一數值范圍內，等于0.2出現周期性變化。

李改鋒等[36]利用Fluent軟件模擬自制文丘里管流體內部場的分布。壓力從收縮段0.295 MPa到喉部-0.071 MPa下游擴大段0.086 MPa；收縮段流速增加到27.79 m/s擴大段含氣率95%；模擬結果與試驗數據基本一致；利用苯酚降解對模擬結果進行了驗證。

陶躍群等[37]建立了空化裝置下游湍流流場空化泡運動驅動壓力、空化泡運動模型，參數為黏性、可壓縮性、表面張力、水分子擴散、導熱性；再現流體流動方向空化泡產生、生長、潰滅等全過程。利用FactSage軟件，經數值求解方法得到溫度、水分子數、壓力參數，分析與計算得到羥基自由基的數量。

劉影等[38]利用數值計算法，討論孔結構影響空化流動，研究內孔式旋轉空化機理。內孔式旋轉空化機理是轉子高速旋轉造成負壓；傾斜角增大，空化效果減弱，水氣交換效果增強。

滿海濤等[39]利用FULENT軟件模擬了高壓空化液體內部、噴嘴內部流場。分析不同空化壓力流場分布、含氣率規律；隨著水力空化入口壓力的增大，空化流場流速最大值以及液體其含率都逐步增大。

沈壯志等[40]通過模擬計算水力空化泡徑向流動非線性方程，得到空化泡產生、生長、潰滅過程的特性。湍流狀態，空化呈現瞬間規律；空化泡生成半徑越小，壓力脈沖越強烈，入口壓力存在最佳值。

章昱等[41]利用k-ω湍流模型，模擬空化區域空化數、含氣率。經實際試驗、高速成像說明實際分布規律與模擬一致；還對水力空化效果進行了模擬，提高入口壓力、降低液體密度、減小液體黏度、適度增加含氣率、減小孔徑有利于空化效果的提升。

黃永春等[42]利用Gilmore空泡運動方程，模擬殼聚糖溶液空化泡產生、生長、潰滅動力學特性參數。初始空化泡直徑越小空化效果越強烈；提高孔板入口壓力、降低孔板出口壓力、減小孔板喉部直徑、增長孔板下游擴散段長度、提高體系溫度、降低溶液濃度有利于空化效應的產生。

3.6 水力空化動力學研究

有關水力空化動力學研究主要集中于水力空化效應強化化學反應動力學研究、水力空化有關影響因素變化規律的動力學研究、降解有機化合物動力學研究，為水力空化技術的應用、水力空化裝置設計提供理論支持與遵循。

張銳等[43]對多孔孔板水力空化降解亞甲基藍動力學進行了研究。水力空化降解亞甲基藍與一級動力學規律一致，多孔孔板水力空化器空化效果優于單孔水力空化器，孔板空化器孔越多，降解速率越大。

沈壯志等[44]對超聲波影響文丘里管空化泡動力學特性進行了數值研究。湍流使空化泡運動呈現瞬間無規律變化；超聲聲壓對空化泡成長過程影響不大，引發多次回彈脈沖；恰當的頻率穩定空化效果與空化泡運動。

蔡軍等[45]對湍流流動條件下空化泡溫度進行了動力學研究。空化泡潰滅熱效應，源于空化泡徑向較大溫度梯度變化與空化泡外形成的熱邊界層；空化泡穩定半徑越小潰滅熱效應越高；熱效應溫度隨入口壓力升高而提升。

葉晉等[46]在多孔板下游安裝了管道泵，設計了新型水力空化裝置。研究下游壓力變化影響水力空化效果。管道泵使孔板下游呈現負壓區，水力空化效果并未提高；理論分析孔板下游壓力越小空化泡形成越多，管道泵的啟動雖然降低了壓力，但是無法減小回流現象，空化泡來不及潰滅被管道泵帶走，缺失潰滅過程，空化效應減少。

王惠敏等[47]研究液體雷諾系數與水力空化數的關系。雷諾系數與水力空化數關系為CV=K×，雷諾系數增大水力空化數減小；得到孔板壓強與流速的關系，為優化水力空化操作條件提供理論依據。

4 結語

水力空化技術作為新興、高效過程處理技術，被廣泛應用于化工、過程工業、污水處理等領域。針對水力空化的機理、水力空化基礎理論、水力空化裝置參數優化設計、水力空化流場數值模擬計算、水力空化過程仿真模擬等方面進行了深入、有成效的研究，得出了有應用價值的研究結論。水力空化技術的進一步應用，需要在水力空化理論上進行深入探究，探索水力空化過程具有的新型效應，針對水力空化過程產生的現象進行科學的解釋并進行科學定義，為水力空化技術的深入研究與應用提供堅實的理論基礎。