王寧,祁杰,張子軒,王飛龍,孫榮偉,邵志豪,陸文卿
(華東理工大學(xué),上海 200237)
水資源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),是生產(chǎn)和生活中不可或缺的自然資源,對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展 產(chǎn)生著重要影響[1]。我國(guó)人均水資源占有量約為2 200 m3/人,僅相當(dāng)于世界平均水平的1/4 左右,是全球人均水資源最為匱乏的13 個(gè)國(guó)家之一[2]。水污染已成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大因素。其中,有機(jī)污水是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化、缺氧、異味等問題的主要原因。現(xiàn)階段,學(xué)者對(duì)有機(jī)污水處理工藝的研究還不充分,采用高效工藝加強(qiáng)有機(jī)污水處理,是解決水污染問題的關(guān)鍵一環(huán),是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的必要措施,對(duì)推動(dòng)建設(shè)節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)有十分重要的意義。
目前,常規(guī)三級(jí)污水處理工藝[3]不能使大分子有機(jī)物徹底降解,無(wú)法滿足污水深度處理的要求。高級(jí)氧化技術(shù)[4]可以融入常規(guī)三級(jí)污水處理工藝,增強(qiáng)有機(jī)物的去除效果。空化氧化主要基于空化水射流技術(shù),其主要利用高溫?zé)岱纸狻⒊R界水氧化和自由基氧化來(lái)降解污水中的有機(jī)物。光催化氧化[5]是水處理領(lǐng)域另一種應(yīng)用廣泛的高級(jí)氧化技術(shù),當(dāng)半導(dǎo)體催化劑與水和氧氣接觸時(shí)會(huì)吸收輻射能量,并生成OH-和O2-來(lái)氧化分解污水中的有機(jī)物。將空化氧化與光催化氧化巧妙地結(jié)合在一起,一方面可以利用空化泡潰滅產(chǎn)生的微射流、剪切力和對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)沖刷催化劑顆粒表面的污染物,另一方面可以使有機(jī)污染物和光催化劑更好地接觸,加快光催化氧化反應(yīng)的速率。目前,空化氧化和光催化氧化相結(jié)合對(duì)有機(jī)物的降解效果仍然有限[6],并且一次性處理污水的體積較小,尚未形成有效、全面的有機(jī)污水處理系統(tǒng)。
筆者以參與的第十八屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品——“水凈有方”為例,嘗試從優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)等方面探尋出更高效的空化氧化和光催化氧化相結(jié)合處理有機(jī)污水的凈水工藝。
空化作用凈水原理如圖1 所示,主要是基于空化水射流中空化泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的一系列極端理化反應(yīng)以及光催化氧化凈水原理協(xié)同凈化污水。液體因受到環(huán)境和氣體分子運(yùn)動(dòng)的影響,導(dǎo)致一些氣體會(huì)溶入其中,最終會(huì)有一批氣相的微泡懸浮在液體中,稱為“氣核”[7]。這些氣核遇到外界刺激時(shí)將迅速膨脹為較大的氣泡,在高壓水體的作用下,其又會(huì)類似于絕熱過程產(chǎn)生潰滅,流體質(zhì)點(diǎn)向其中心以極高的瞬時(shí)速度進(jìn)行沖擊,產(chǎn)生了瞬時(shí)熱點(diǎn)[8](約5 000 K)和局部高壓(約1.01×109Pa)),以及一系列物理化學(xué)反應(yīng)[9]。空化機(jī)理研究方面,空化泡的射流強(qiáng)度和方向可以用通過Kelvin 沖量來(lái)預(yù)測(cè)[10]。Rayleigh 最先提出了空泡在無(wú)界靜止液體中的潰滅方程。在Rayleigh 的基礎(chǔ)上,Plesset 對(duì)空泡潰滅方程進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),提出了著名的R-P方程[11],該方程提及了實(shí)際液體所具有的粘性和表面張力的影響。此后空化理論的研究較多,但因?yàn)橐后w內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及相應(yīng)設(shè)備的缺乏,一直未能形成統(tǒng)一的說法。目前,較為廣泛接受的為微射流理論、沖擊波理論以及群泡潰滅理論。流體參數(shù)變動(dòng)會(huì)使空泡失穩(wěn)進(jìn)而導(dǎo)致空泡的非對(duì)稱潰滅,關(guān)于近固壁面的球形空泡的潰滅[12]是其中代表性的研究。LAUTERBORN 等[13]利用紅寶石激光器在固壁附近的蒸餾水中誘導(dǎo)球形空泡,利用高速攝影機(jī)拍攝到了近固壁的空泡生成及其潰滅過程中微射流的形成過程;PREECE 等[14]將高壓水射流通入水體中產(chǎn)生空化現(xiàn)象,利用高速攝影技術(shù)成功捕捉到了近壁面空泡的不對(duì)稱潰滅過程;趙瑞等[15]通過自制的力學(xué)傳感器和高速攝像機(jī),展開了對(duì)激光誘導(dǎo)近固壁面的球形空泡的潰滅研究,形成一股微射流沖擊固壁表面,其速度極高。沖擊波理論認(rèn)為空泡潰滅會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的潰滅壓力,強(qiáng)烈壓縮周圍介質(zhì)而形成壓力沖擊波,并從潰滅中心作球狀輻射波傳播。空泡潰滅時(shí)局部出現(xiàn)的熱點(diǎn)和高溫高壓等條件能夠有效殺菌、打開化學(xué)鍵并氧化水中污染物。

圖1 空泡潰滅原理
光催化氧化凈水是光化學(xué)反應(yīng)的具體應(yīng)用之一,是有催化劑參與的光化學(xué)氧化反應(yīng),一般分為均相和非均相催化兩種類型[16]。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展,工業(yè)廢水中各類化學(xué)合成有機(jī)物的種類和數(shù)量增加[17],半導(dǎo)體非均相光催化氧化是眾多難降解有機(jī)物處理方案中較為理想的一種[18]。半導(dǎo)體非均相光催化氧化通常以二氧化鈦?zhàn)鳛榘雽?dǎo)體催化劑[19]。如圖2 所示,在近紫外光照射下,催化劑粒子不斷吸收光能,當(dāng)吸收的能量達(dá)到能隙的光,其價(jià)帶中的電子將被激發(fā)而躍遷至導(dǎo)帶上,在價(jià)帶上留下相對(duì)穩(wěn)定的空穴,產(chǎn)生具有氧化還原能力的光生電子和光生空穴對(duì)[20]。在電場(chǎng)作用下,光生電子—空穴對(duì)向催化劑表面遷移,其間存在一部分電子—空穴對(duì)發(fā)生復(fù)合而失去活性的情況。遷移到表面后,光生空穴可直接作用于目標(biāo)物質(zhì),通過奪取催化劑表面物質(zhì)或溶劑中的電子使原本不吸收光的有機(jī)物被活化和氧化。光生空穴也可以間接作用于目標(biāo)物質(zhì),與催化劑表面的H2O 或OH-離子反應(yīng)生成更強(qiáng)氧化性的羥基自由基[21],由羥基自由基與有機(jī)物反應(yīng),達(dá)到處理污水中有機(jī)物的目的。因此,通過光催化氧化反應(yīng)能快速[22]有效地去除工業(yè)污水中的各類有機(jī)物,并且沒有二次污染,具有良好的應(yīng)用前景。然而,有機(jī)污染物經(jīng)光催化氧化形成的分解產(chǎn)物可能會(huì)附著在催化劑上,阻礙其對(duì)紫外光的吸收,使凈水效率下降。

圖2 光催化氧化原理
水射流與光催化氧化技術(shù)相協(xié)同,可以通過水射流產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波和微射流去除催化劑表面的附著物,從而進(jìn)一步提高凈水效率。
基于空化水射流的水體循環(huán)系統(tǒng)的裝置原理如圖3 所示。

圖3 裝置原理圖
圖4 為裝置示意圖,由圖4 可知,該裝置主要有4 個(gè)模塊,分別為進(jìn)水模塊、出水模塊、藥品射流模塊以及光催化模塊。其中,過濾器、離心泵、流量計(jì)、控制閥通過管道依順序與污水處理箱的污水入口處相連,作為污水處理箱的進(jìn)水模塊。離心泵將污水經(jīng)過濾器抽入污水處理箱,過濾器可以過濾掉污水中的固體顆粒,同時(shí)可以利用流量控制閥控制污水的流量。藥品射流模塊由過濾器、流量計(jì)、控制閥、超高壓增壓泵與射流結(jié)構(gòu)組成。射流管路的原水取自經(jīng)過處理的污水,過濾器能夠過濾污水中的固體與大顆粒雜質(zhì),保證射流結(jié)構(gòu)正常工作。其中,射流結(jié)構(gòu)由藥品罐、藥品流量閥、射流噴嘴組成。該射流結(jié)構(gòu)采用空化磨料一體化射流工藝,必要時(shí)可以在藥品罐中添加凈水藥品作為磨料,凈水藥品被吸入噴嘴的混合腔內(nèi)與高速射流混合,促進(jìn)凈水藥品快速溶解。射流管路必須保證噴嘴在淹沒條件下進(jìn)行工作。控制閥、流量計(jì)和離心泵通過管道與污水排水口相連,作為污水處理箱的出水模塊,將經(jīng)過處理的污水從污水處理箱抽回污水池,實(shí)現(xiàn)凈水系統(tǒng)的水資源循環(huán)。

圖4 裝置示意圖
由于空化射流的凈水原理主要依靠空化泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的一系列極端理化反應(yīng),因此,加速空化泡潰滅是提高凈水效率的關(guān)鍵。該系統(tǒng)在噴嘴出口處安裝有射流靶盤,高速射流沖擊在射流靶盤上,使空化泡在經(jīng)歷形成、發(fā)展階段后快速潰滅,后續(xù)通過FLUENT 仿真分析和高速攝像實(shí)驗(yàn)探究空化云的演變特征及空化作用在形成、發(fā)展和潰滅階段時(shí)空化云的長(zhǎng)度規(guī)律,確定射流靶盤距離噴嘴的最佳距離。經(jīng)過仿真和高速攝像實(shí)驗(yàn)以及后續(xù)的FDM 幀間差分法處理得出:射流靶盤距離噴嘴出口處的最佳距離為20d,其中d為噴嘴直徑。
由于空化水射流的空化效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的凈水效率有著至關(guān)重要的影響,為了驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝備的空化性能,本團(tuán)隊(duì)根據(jù)前期調(diào)研,針對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝備開展了基于FLUENT 的空化流場(chǎng)仿真分析研究,以此選擇具有最佳空化效應(yīng)的噴嘴——入口壓強(qiáng)組合,后續(xù)通過高速攝像實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并對(duì)空化云的動(dòng)態(tài)演變特征進(jìn)行研究。
本文采用FLUENT 軟件對(duì)空化水射流流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析,通過FLUENT 的后處理功能還能以圖形、動(dòng)畫、數(shù)值報(bào)告等多種形式對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)出分析[23]。使用2 mm 的噴嘴對(duì)入口壓強(qiáng)分別為50 MPa、70 MPa、100MPa 和120 MPa進(jìn)行模擬仿真對(duì)比,選擇與2 mm 直噴嘴配合具有最優(yōu)空化效應(yīng)的入口壓強(qiáng),其仿真過程如圖5所示。

圖5 FLUENT 仿真流程圖
模擬仿真采用簡(jiǎn)化后的2D 軸對(duì)稱模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及求解計(jì)算,整個(gè)流場(chǎng)模型軸向長(zhǎng)度為63 mm,外流場(chǎng)區(qū)域尺寸設(shè)置為150 mm×250 mm,噴嘴直徑為2 mm。由于該模型的整體結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,故采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,其特點(diǎn)為網(wǎng)格均由與坐標(biāo)軸平行的直線劃分構(gòu)成。
空化水射流凈化水體可以簡(jiǎn)化為多相流模擬模型問題,故采用混合模型(Mixture Model)進(jìn)行流場(chǎng)仿真。湍流模型采用Realizable k-ε模型和增強(qiáng)壁面函數(shù),該模型計(jì)算精度高、結(jié)果穩(wěn)定。設(shè)定迭代步驟為1 000 次,各方程的殘差下降到1×10-4。
流體經(jīng)過噴嘴出口段時(shí),流體壓力迅速降低轉(zhuǎn)換為大量動(dòng)能,形成高速射流,為空化云的形成提供了條件。在噴嘴出口周圍至外流場(chǎng)邊界處形成了子彈狀的氣相分布,說明高速射流與周圍靜止水體間發(fā)生了強(qiáng)烈作用并形成了空化作用。水射流與周圍水體發(fā)生強(qiáng)烈作用的區(qū)域傳質(zhì)速率較快,由此可以推測(cè)使用混合磨料技術(shù)時(shí)能夠有效加速藥品溶解,提高凈水效率。通過對(duì)多組入口壓力的比較,最終選擇100 MPa 的入口壓力配合2 mm 的噴嘴進(jìn)行凈水,其優(yōu)勢(shì)在于:氣相體積分布范圍較大,空化作用區(qū)域較大,其在凈水時(shí)對(duì)污染物的凈化范圍較大;其速度云圖相對(duì)分散,對(duì)靶盤的沖擊作用小,對(duì)靶盤的磨損較小;傳質(zhì)速率相對(duì)較快,使用后混合磨料技術(shù)添加凈水藥品時(shí)能夠使藥品更快地溶解,進(jìn)一步提高凈水效率。
為探究空化水射流產(chǎn)生空化云的演變過程和空化泡潰滅時(shí)的局部性質(zhì),設(shè)計(jì)了高速攝像實(shí)驗(yàn)捕捉空化云的形成、發(fā)展及潰滅過程。高速攝像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由超高壓增壓器、機(jī)械臂、射流噴嘴、水箱、高速相機(jī)、LED 燈等裝備組成。超高壓增壓器的最高壓力350 MPa,可以通過扭矩控制調(diào)節(jié)射流壓強(qiáng),分別設(shè)置為80 MPa、100 MPa 和120 MPa,進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn);增壓后的水流經(jīng)不銹鋼高壓管路輸送至射流噴嘴,噴嘴在機(jī)械臂的夾持下淹沒在充滿水的透明水箱中,水箱采用亞克力材料制造,以保證準(zhǔn)確采集空化射流的圖像信息。實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)Phantom 公司的VEO640L 型高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝,采集圖像的清晰度和幀率可相應(yīng)調(diào)節(jié)。同時(shí)使用LED 燈進(jìn)行照射補(bǔ)光,照射功率為60 W。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖6 所示,實(shí)驗(yàn)實(shí)物如圖7 所示。

圖6 高速攝像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖7 高速攝像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖
在實(shí)驗(yàn)過程中,保持射流噴嘴、高速相機(jī)、LED燈三者相互位置不變,高速攝像機(jī)正對(duì)射流流場(chǎng),LED 燈布置在水箱側(cè)面進(jìn)行補(bǔ)光,如圖6(b)所示。在預(yù)先設(shè)定好的壓強(qiáng)參數(shù)下,待射流穩(wěn)定時(shí)高速攝像機(jī)開始拍攝,拍攝時(shí)間不少于15 s,為精確捕捉空化云形成、發(fā)展及潰滅的動(dòng)態(tài)演變過程,將高速攝像機(jī)的拍攝頻率設(shè)置為4 000 fps。拍攝完成后,在MATLAB 中對(duì)拍攝獲得的圖像進(jìn)行灰度圖及云圖處理分析以及FDM(幀間差分)分析,并通過Image Pro Plus 進(jìn)行空間尺寸標(biāo)定,以探究空化水射流產(chǎn)生的空化云的演變過程和空化泡潰滅時(shí)的局部性質(zhì),反映空化效應(yīng)的空間特征。實(shí)驗(yàn)采用的入口壓強(qiáng)分別為80 MPa、100 MPa 和120 MPa。
圖8 為空化射流在不同入口壓強(qiáng)條件下,外流場(chǎng)中空化云的動(dòng)態(tài)演變過程,相鄰兩張圖像之間的時(shí)間間隔為0.25 ms,總時(shí)間跨度為3 ms。從圖8 可以看出,射流中空化云的演變過程具有明顯的周期規(guī)律,演變周期約為0.75~1 ms。以圖8(b)為例,初始時(shí)刻(t=0 ms)細(xì)長(zhǎng)狀的高速水柱從噴嘴射出,該階段射流速度最高,處于射流核心區(qū)段,射流結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱,射流與周圍黏性靜止水體接觸并發(fā)生剪切,形成渦流和低壓區(qū),促使空化云形成,空化云中包含密集的空化泡。隨著空化云向下移動(dòng)和延伸,在湍流和低壓作用下,空化泡逐漸膨脹并開始向周圍擴(kuò)散,此階段是空化的發(fā)展階段,空化云的厚度及覆蓋范圍逐步擴(kuò)大。當(dāng)射流繼續(xù)向下游移動(dòng)時(shí)(t=1 ms),空化云逐漸發(fā)生脫落,此時(shí)由于射流兩側(cè)湍流結(jié)構(gòu)差異較大,引起射流壓力場(chǎng)不穩(wěn)定,射流兩側(cè)的不對(duì)稱度大幅增加,隨著周圍壓力的逐漸升高,此階段中空化泡進(jìn)入自主潰滅階段,空化云的邊緣逐漸模糊,潰滅時(shí)形成大量的微射流和沖擊波,同時(shí)形成局部熱點(diǎn)和高溫高壓等一系列極端理化反應(yīng),將會(huì)對(duì)水體中的有機(jī)污染物和微生物起到凈化作用。當(dāng)觀察到空化云消失區(qū)域大于形成區(qū)域時(shí),即可判定空化進(jìn)入潰滅階段。同時(shí),觀察到空化云脫落,射流不對(duì)稱度增大,壓力不穩(wěn)定,空化云開始自主潰滅,主要發(fā)生在射流下游中心區(qū)域。而下一周期的空化云又被射流攜帶噴入水中,由此形成了空化云的周期變化,且空化云的動(dòng)態(tài)演變過程主要包括形成、發(fā)展、潰滅三個(gè)階段。

圖8 不同入口壓強(qiáng)下的射流形態(tài)(a)80 MPa;(b)100 MPa
先對(duì)氨氮去除率進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分別選取了空化水射流——光催化氧化耦合凈水、空化水射流單獨(dú)作用凈水和光催化氧化單獨(dú)作用凈水進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)其他因素參數(shù)設(shè)置相同,實(shí)驗(yàn)原水為75 mg/L 的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液,溶液總量均為10 L,凈化時(shí)間均為3 h,最終凈水結(jié)果對(duì)比如圖9 所示。

圖9 氨氮去除率對(duì)比試驗(yàn)
從圖9 可以看出空化水射流單獨(dú)作用的氨氮去除率為22%,光催化氧化技術(shù)單獨(dú)作用的去除率為62%,而空化水射流—光催化氧化耦合凈水的氨氮去除率能夠達(dá)到80%,相較于二者單獨(dú)凈水效果有了顯著提升。
除此之外,還進(jìn)行了COD 去除對(duì)比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用初始濃度為50 mg/L 的活性艷藍(lán)X-BR 溶液。活性艷藍(lán)X-BR 溶液是用于棉布直接印花的少數(shù)品種之一,可用于棉、絲、粘膠等織物的染色和印花。本實(shí)驗(yàn)中其作為污染物對(duì)COD 去除效果進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)原水為濃度為50 mg/L 的活性艷藍(lán)X-BR 溶液,溶液總量為10 L,系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)開始計(jì)時(shí),在凈水時(shí)長(zhǎng)達(dá)到30 min、1 h、2 h、3 h 和4 h 時(shí)分別進(jìn)行取樣,凈化時(shí)長(zhǎng)達(dá)到4 h 時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)通過酸性重鉻酸鉀法測(cè)定COD 含量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示。

圖10 COD 去除率實(shí)驗(yàn)
由圖10 可以看出,該系統(tǒng)在凈化時(shí)間為1 h 時(shí)COD 去除率達(dá)到了28%,凈化4 h 后凈化率可達(dá)78%左右,效率較高,且凈化方式綠色環(huán)保,不會(huì)對(duì)水體造成二次污染。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款將空化水射流與光催化氧化技術(shù)相結(jié)合的水凈化系統(tǒng),獲得了第十八屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽二等獎(jiǎng)。項(xiàng)目致力于處理電鍍污水中的有機(jī)污染物,推動(dòng)工業(yè)廢水循環(huán)利用。相比于傳統(tǒng)的污水處理方式,該系統(tǒng)具有集約高效、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn),且各種技術(shù)相輔相成,能夠獲得較好的凈水效果。
通過創(chuàng)新項(xiàng)目的參賽過程,以賽促學(xué),使團(tuán)隊(duì)成員的理論水平和實(shí)踐能力都得到了鍛煉。未來(lái),項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)會(huì)繼續(xù)深入研究空化水射流與光催化氧化技術(shù)相結(jié)合的機(jī)理,以提高凈水效率。此外,可以探索新型、高效、環(huán)保的化學(xué)凈水藥品,以減少對(duì)環(huán)境的影響。此外,團(tuán)隊(duì)也在積極與相關(guān)企業(yè)溝通,通過校企合作,開展成果轉(zhuǎn)化,將該技術(shù)真正用于環(huán)境友好、集約高效的工業(yè)污水處理,更好地服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略,為美麗中國(guó)建設(shè)作出貢獻(xiàn)。
創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實(shí)踐2024年7期