水力空化在饮用水消毒中的应用
卢姗姗，市政工程，1023160008
0引言
“空化”现象是一种物理现象。早在1753年欧拉就指出“：水管中某处的压强若降到负值时，水即自管壁分离，该处将形成一个真空区，这种现象应予避免”。1849年英国海军发现螺旋桨转动时有大量气泡产生，这些气泡又随即在水的压力作用下收缩内爆，致使螺旋桨产生剧烈振动，这是历史上首次对空化现象物理本质的描述随后人们便把液体内部局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的空穴（空泡）的形成、发展和溃破的过程称为空化。
自发现空化现象以来，人们了解到空化会产生种种不利影响，例如对水力机械、船舶、液压元件以及众多水利工程的空蚀破坏，因此，一百多年来国内外学者一直致力于研究如何防止和避免空蚀的损害和破坏。近年来，随着研究的深入，人们逐渐认识到，空化发生时释放的巨大能量可为一般条件下难以实现或者不可能实现的物理、化学反应提供一种非常特殊的环境，应该予以利用。根据产生的方法，空化一般可以分为4种类型：（1）声空化；（2）水力空化；（3）光空化；（4）粒子空化。其中，研究较为普遍的是超声空化和水力空化。超声空化装置产生的能量集中、空化效应强烈，对各类有机物有良好的氧化效果，得到了众多学者广泛深入的研究，在理论和实验方面已取得了大量的成果。但是超声空化的最大弊端是难以实现工业化，主要由于空化效应只在超声探头附近产生，能量利用率较低，难以对污水进行大规模处理。因此，人们开始转向水力空化的研究。1993年Pandit 和Joshi 首次利用水力空化进行脂肪油水解实验，结果表明利用水力空化作为能量输入，能够促进脂肪油水解，并且比超声空化节能。
1 水力空化产生的机理
水力空化现象发生在很多场合，例如在有管径急剧变化的管道中水力机械中等。这是因为一般液体中含有微小的气泡，通常情况下肉眼并不能看见这些气泡，当液体流经低压区时，这些微小气泡迅速膨胀，在该处形成可见的微小空泡。在低压区空化的液体挟带着大量空泡形成了“两相流”运动。空泡在随液体流动过程中，遇到周围压力增大时，体积将急剧缩小或溃灭，溃灭过程发生于瞬间（微秒级），因而空泡溃灭时将伴随极其复杂的多种物理、化学效应。关于空泡溃灭产生的特殊的环境，相关研究表明：空泡溃灭时将产生瞬时的局部高
温（约5000℃）、高压（50MPa 以上），即形成所谓的“热点”，并能形成强烈的冲击波和速度大于400km/h的微射流。
在研究中，水力空化通常可以这样实现：流体流过一个收缩装置（如几何孔板、文丘里管等）时，由于孔板的阻流作用，液体流速增大、压力降低，当压力降至蒸汽压甚至负压时，溶解在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量空化泡，随后液体周围压力迅速恢复喷射扩张，空化泡瞬间破灭，从而产生空化。
2 水力空化消毒的机理
近年来，水力空化在水处理方面的一个重要应用，就是降解难生物降解的有毒有害物质。根据相关理论，其降解机理主要可以分为以下几个方面。
2．1热效应
气泡溃灭时一方面产生高温（1000～5000 K）和瞬时高压（1～5×109Pa ），另一方面产生冲击波和水射流，能引起细胞溶解和其他损伤，如细胞壁的破裂，使细菌细胞壁通透性增加。同时，水分子裂解为强氧化性的·OH 和H2O2[8-9]破坏了细胞的分子组成，使其失活。
2．2机械效应
空化发生以及空泡溃灭时伴随产生微射流和冲击波，这些强大冲击作用对体本身产生强大机械搅拌作用。空泡溃灭时，近壁处微射流速度可达70～180 m/s（有人认为可高达600 m/s），在物体表而产生的冲击压力可高达691 MPa，表面受到微射流冲击次数约为100～1000次/(s·cm2) 。冲击脉冲作用时间每次只有几微秒。当水中空泡不断产生、发育、溃灭时，空泡溃灭的冲击压力则不断作用到物体表面上，这样，微射流的冲击作用将像锤击一样连续打击着物体表面。而这样高的冲击作用若直接作用在流体上，对流体本身来说就是种巨大的能量。
空化泡溃灭时产生的高速水射流和巨大的冲击力使性质不同的流体介质产生机械效应，使分子发生震动，当湍动能达到一定程度后，就可以产生足够大的能量使细胞或微生物直接破裂。因此，机械效应是细胞破碎、杀菌等物理强化效应的根本原因之一。
2．3光效应
空化泡在溃灭时刻发出能被人眼看见的光称为声致发光(sonoluminescence)，在单空泡空化声致发光时，产生声致发光的典型声压为0.1 MPa，对应于每个原子区域的能量为1.08×1010eV ，声致发光包含了大约10量级的放大或聚焦过程，而同位素裂变释放的能量放大也仅为0.8×10，可见空化光效应的能量之大。 1011
2.4活化效应
在液体上时，使流体内部产生局部高浓度的强氧化性自由基等，从而起到活化效应的作用。它们能直接氧化化学物质，从而达到诱导、引发和加强化学反应的效果。同时空泡溃灭时产生强大的流体力学剪切力也会使大分子主链上的化学键断裂产生自由基。
3 空化效应的影响因素
影响空化化学效应的因素非常复杂，包括空化形成的条件、溶质和溶剂的物理化学性能、溶解气体的特性、化学反应的环境等。空化效应的影因素除空化发生器结构外主要有：
3.1空化气体
空化气体是指为提高空化效应而溶解于溶液中的气体。不同的空化气体不仅会依其不同的物化性质（如热容比、热导和溶解性）影响空泡溃灭的最终温度，而且还可能直接或间接地参与化学反应，故空化气体是影响空化化学效应的一个重要因素。如有学者发现空气与A r 的混合气体对酚类的降解效果较好。
3.2溶液pH 值
溶液pH 值对溶液的物化性质有较大影响，进而会影响空化降解的速度。有学者发现空化降解速度随溶液的pH 增大而减小，另有学者则得到了不同的结果，认为碱性溶液更利于空化降解，还有学者认为溶液pH 不影响降解速度。
3.3溶液的初始浓度
无论从优化工艺条件还是从研究反应动力学角度出发，溶液初始浓度对空化降解反应的影响都是很重要的。有学者发现空化降解速度(或速率常数) 随溶液初始浓度的升高而下降。另有学者发现降解速度随溶液初始浓度的升高而增大，还有学者研究表明溶液的初始浓度对反应速度影响不大。
3.4溶液温度
溶液温度也是影响空化降解的一个因素。循环温度对空化效果的影响可从两方面讲。一方面，温度升高，液体的饱和蒸汽压增大，环境流体的压力与饱和蒸汽压差距缩小，更容易形成空化发生所需压力降。饱和蒸汽压的增大还有利于气核的发育和长大，因此，液体温度升高易于空化的发生；另一方面，水体中存在一定量的溶解气能够增强空化效果，自然状态下，水体中溶解气体含量随温度的升高而减少，当温度升高时，汽化核心会随气体溶解度的减小而减小，使初生空化效果减弱。因此，温度对于实际流体的空化效果的影响是双重的，存在一个最适宜的温度条件。多数学者认为温度对降解速度影响不明显。
3.5溶质自身特性
溶质自身特性直接影响空化化学效应的反应速率。主要与溶质的挥发性、极性、形态结构等有关。空化对极性物质的氧化效率往往比非极性、挥发性物质差。
3.6液体中压强的影响
研究表明，当下游压强一定时，空化效应随上游压强的增加而增加，当上游压强固定时，空化效应随下游压强的增大而出现一最大值。
4 水力空化消毒的工艺
水力空化的发生装置有两种，几何孔板（图1）和文丘里管（图2）
图1 图2
5. 水力空化消毒的特点
（1）成本低，运行工艺简单，无需加药。
（2）不产生消毒副产物，没有二次污染。
（3）耗能较大，有时和其它工艺联合使用效果更佳。
参考文献
[1]陈利军等 水力空化技术在饮用水消毒中的应用 [J]水处理技术 Vol.33 No.3 Mar.,2007
[2]张晓冬等 水力空化对水中微生物的灭活作用及特性 [J]化学工程Vol.35 No. 10O ct. 2007
[3]朱孟府等；水力空化在水处理中的应用与研究进展；[J]环境科学与技术;Vol.33 No.12 F Dec.2010
[4]陈利军等；水力空化在水处理中的应用研究进展；[J]生态科学;Oct.,2006,25(5):476～ 479
[5]魏 群等; 水力空化技术在废水处理中的研究与应用进展[J]中国给水排水Vo.l 23 No. 2Jan. 2007;13-16
[6]陆凯, 郭培全. 空化效应在污水有机物降解中的应用[J].E－IC,2008,(3):54-55.
[7]沈海风. 水力空化辅助臭氧氧化灭杀富营养化水体中藻类技术的研究[D]江苏河海大 学2008
[8]Robert Talbot Knapp,James W.Daily,F.G.Hammit.空化与空蚀[M].水利水电科学研究 院, 译. 北京:水利出版社,1981.
水力空化在饮用水消毒中的应用
卢姗姗，市政工程，1023160008
0引言
“空化”现象是一种物理现象。早在1753年欧拉就指出“：水管中某处的压强若降到负值时，水即自管壁分离，该处将形成一个真空区，这种现象应予避免”。1849年英国海军发现螺旋桨转动时有大量气泡产生，这些气泡又随即在水的压力作用下收缩内爆，致使螺旋桨产生剧烈振动，这是历史上首次对空化现象物理本质的描述随后人们便把液体内部局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的空穴（空泡）的形成、发展和溃破的过程称为空化。
自发现空化现象以来，人们了解到空化会产生种种不利影响，例如对水力机械、船舶、液压元件以及众多水利工程的空蚀破坏，因此，一百多年来国内外学者一直致力于研究如何防止和避免空蚀的损害和破坏。近年来，随着研究的深入，人们逐渐认识到，空化发生时释放的巨大能量可为一般条件下难以实现或者不可能实现的物理、化学反应提供一种非常特殊的环境，应该予以利用。根据产生的方法，空化一般可以分为4种类型：（1）声空化；（2）水力空化；（3）光空化；（4）粒子空化。其中，研究较为普遍的是超声空化和水力空化。超声空化装置产生的能量集中、空化效应强烈，对各类有机物有良好的氧化效果，得到了众多学者广泛深入的研究，在理论和实验方面已取得了大量的成果。但是超声空化的最大弊端是难以实现工业化，主要由于空化效应只在超声探头附近产生，能量利用率较低，难以对污水进行大规模处理。因此，人们开始转向水力空化的研究。1993年Pandit 和Joshi 首次利用水力空化进行脂肪油水解实验，结果表明利用水力空化作为能量输入，能够促进脂肪油水解，并且比超声空化节能。
1 水力空化产生的机理
水力空化现象发生在很多场合，例如在有管径急剧变化的管道中水力机械中等。这是因为一般液体中含有微小的气泡，通常情况下肉眼并不能看见这些气泡，当液体流经低压区时，这些微小气泡迅速膨胀，在该处形成可见的微小空泡。在低压区空化的液体挟带着大量空泡形成了“两相流”运动。空泡在随液体流动过程中，遇到周围压力增大时，体积将急剧缩小或溃灭，溃灭过程发生于瞬间（微秒级），因而空泡溃灭时将伴随极其复杂的多种物理、化学效应。关于空泡溃灭产生的特殊的环境，相关研究表明：空泡溃灭时将产生瞬时的局部高
温（约5000℃）、高压（50MPa 以上），即形成所谓的“热点”，并能形成强烈的冲击波和速度大于400km/h的微射流。
在研究中，水力空化通常可以这样实现：流体流过一个收缩装置（如几何孔板、文丘里管等）时，由于孔板的阻流作用，液体流速增大、压力降低，当压力降至蒸汽压甚至负压时，溶解在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量空化泡，随后液体周围压力迅速恢复喷射扩张，空化泡瞬间破灭，从而产生空化。
2 水力空化消毒的机理
近年来，水力空化在水处理方面的一个重要应用，就是降解难生物降解的有毒有害物质。根据相关理论，其降解机理主要可以分为以下几个方面。
2．1热效应
气泡溃灭时一方面产生高温（1000～5000 K）和瞬时高压（1～5×109Pa ），另一方面产生冲击波和水射流，能引起细胞溶解和其他损伤，如细胞壁的破裂，使细菌细胞壁通透性增加。同时，水分子裂解为强氧化性的·OH 和H2O2[8-9]破坏了细胞的分子组成，使其失活。
2．2机械效应
空化发生以及空泡溃灭时伴随产生微射流和冲击波，这些强大冲击作用对体本身产生强大机械搅拌作用。空泡溃灭时，近壁处微射流速度可达70～180 m/s（有人认为可高达600 m/s），在物体表而产生的冲击压力可高达691 MPa，表面受到微射流冲击次数约为100～1000次/(s·cm2) 。冲击脉冲作用时间每次只有几微秒。当水中空泡不断产生、发育、溃灭时，空泡溃灭的冲击压力则不断作用到物体表面上，这样，微射流的冲击作用将像锤击一样连续打击着物体表面。而这样高的冲击作用若直接作用在流体上，对流体本身来说就是种巨大的能量。
空化泡溃灭时产生的高速水射流和巨大的冲击力使性质不同的流体介质产生机械效应，使分子发生震动，当湍动能达到一定程度后，就可以产生足够大的能量使细胞或微生物直接破裂。因此，机械效应是细胞破碎、杀菌等物理强化效应的根本原因之一。
2．3光效应
空化泡在溃灭时刻发出能被人眼看见的光称为声致发光(sonoluminescence)，在单空泡空化声致发光时，产生声致发光的典型声压为0.1 MPa，对应于每个原子区域的能量为1.08×1010eV ，声致发光包含了大约10量级的放大或聚焦过程，而同位素裂变释放的能量放大也仅为0.8×10，可见空化光效应的能量之大。 1011
2.4活化效应
在液体上时，使流体内部产生局部高浓度的强氧化性自由基等，从而起到活化效应的作用。它们能直接氧化化学物质，从而达到诱导、引发和加强化学反应的效果。同时空泡溃灭时产生强大的流体力学剪切力也会使大分子主链上的化学键断裂产生自由基。
3 空化效应的影响因素
影响空化化学效应的因素非常复杂，包括空化形成的条件、溶质和溶剂的物理化学性能、溶解气体的特性、化学反应的环境等。空化效应的影因素除空化发生器结构外主要有：
3.1空化气体
空化气体是指为提高空化效应而溶解于溶液中的气体。不同的空化气体不仅会依其不同的物化性质（如热容比、热导和溶解性）影响空泡溃灭的最终温度，而且还可能直接或间接地参与化学反应，故空化气体是影响空化化学效应的一个重要因素。如有学者发现空气与A r 的混合气体对酚类的降解效果较好。
3.2溶液pH 值
溶液pH 值对溶液的物化性质有较大影响，进而会影响空化降解的速度。有学者发现空化降解速度随溶液的pH 增大而减小，另有学者则得到了不同的结果，认为碱性溶液更利于空化降解，还有学者认为溶液pH 不影响降解速度。
3.3溶液的初始浓度
无论从优化工艺条件还是从研究反应动力学角度出发，溶液初始浓度对空化降解反应的影响都是很重要的。有学者发现空化降解速度(或速率常数) 随溶液初始浓度的升高而下降。另有学者发现降解速度随溶液初始浓度的升高而增大，还有学者研究表明溶液的初始浓度对反应速度影响不大。
3.4溶液温度
溶液温度也是影响空化降解的一个因素。循环温度对空化效果的影响可从两方面讲。一方面，温度升高，液体的饱和蒸汽压增大，环境流体的压力与饱和蒸汽压差距缩小，更容易形成空化发生所需压力降。饱和蒸汽压的增大还有利于气核的发育和长大，因此，液体温度升高易于空化的发生；另一方面，水体中存在一定量的溶解气能够增强空化效果，自然状态下，水体中溶解气体含量随温度的升高而减少，当温度升高时，汽化核心会随气体溶解度的减小而减小，使初生空化效果减弱。因此，温度对于实际流体的空化效果的影响是双重的，存在一个最适宜的温度条件。多数学者认为温度对降解速度影响不明显。
3.5溶质自身特性
溶质自身特性直接影响空化化学效应的反应速率。主要与溶质的挥发性、极性、形态结构等有关。空化对极性物质的氧化效率往往比非极性、挥发性物质差。
3.6液体中压强的影响
研究表明，当下游压强一定时，空化效应随上游压强的增加而增加，当上游压强固定时，空化效应随下游压强的增大而出现一最大值。
4 水力空化消毒的工艺
水力空化的发生装置有两种，几何孔板（图1）和文丘里管（图2）
图1 图2
5. 水力空化消毒的特点
（1）成本低，运行工艺简单，无需加药。
（2）不产生消毒副产物，没有二次污染。
（3）耗能较大，有时和其它工艺联合使用效果更佳。
参考文献
[1]陈利军等 水力空化技术在饮用水消毒中的应用 [J]水处理技术 Vol.33 No.3 Mar.,2007
[2]张晓冬等 水力空化对水中微生物的灭活作用及特性 [J]化学工程Vol.35 No. 10O ct. 2007
[3]朱孟府等；水力空化在水处理中的应用与研究进展；[J]环境科学与技术;Vol.33 No.12 F Dec.2010
[4]陈利军等；水力空化在水处理中的应用研究进展；[J]生态科学;Oct.,2006,25(5):476～ 479
[5]魏 群等; 水力空化技术在废水处理中的研究与应用进展[J]中国给水排水Vo.l 23 No. 2Jan. 2007;13-16
[6]陆凯, 郭培全. 空化效应在污水有机物降解中的应用[J].E－IC,2008,(3):54-55.
[7]沈海风. 水力空化辅助臭氧氧化灭杀富营养化水体中藻类技术的研究[D]江苏河海大 学2008
[8]Robert Talbot Knapp,James W.Daily,F.G.Hammit.空化与空蚀[M].水利水电科学研究 院, 译. 北京:水利出版社,1981.