文丘里管结构参数对水力空化降解罗丹明B染料废水的影响*

杨思静， 晋日亚， 乔伊娜， 师淑婷

(中北大学 化工与环境学院， 山西 太原 030051)

文丘里管结构参数对水力空化降解罗丹明B染料废水的影响*

杨思静， 晋日亚， 乔伊娜， 师淑婷

(中北大学 化工与环境学院， 山西 太原 030051)

为研究文丘里管结构参数对水力空化强度的影响， 设计了以文丘里管为核心的水处理装置， 选用8个尺寸不同的文丘里管处理罗丹明B废水. 研究了文丘里管结构参数、 入口压力及反应时间对空化效果的影响， 结果表明： 文丘里管空化效应优劣与其结构参数有关. 随着入口压力的增大(0.3～0.5 MPa)、 喉径比的降低(0.24～0.08)、 喉管长度的增加(25～35 mm)， 不同文丘里管对罗丹明B降解率均呈现先增加后降低的趋势； 随着反应时间的增加(0～60 min)、 扩散段长度的增加(30～90 mm)， 罗丹明B降解率均呈现上升趋势， 最高可达15.8%.

水力空化； 罗丹明B； 文丘里管； 废水处理

0 引 言

近年来， 印染废水对环境的危害引起了人们的广泛关注， 寻求高效节能、 无害化的处理方式成为研究热点[1-2]. 水力空化作为一种新型高级氧化技术(AOP)， 因其简单便捷、 绿色无二次污染的特点， 在传统处理方法中脱颖而出[3]. 该技术克服了传统方法的弱点： 传统化学方法虽然效率高且相对经济， 但是在反应过程中会产生有毒或较为复杂的副产物(尤其是氯代物)； 传统物理方法成本较高， 而且基于紫外光的处理方法由于废水的色度和浊度高会引起阻断作用， 降低紫外光的活性， 从而影响处理效果[4].

水力空化技术降解废水中有机物主要依靠空化过程产生的化学效应(产生·OH)[5]和物理效应(冲击波、 压力降、 剪切力等)[6]. 常用的水力空化装置为孔板和文丘里管， 二者均能应用于水处理领域[4]. 空化装置产生一系列效应主要依赖于空化过程， 具体过程如下： 当溶液流经空化装置时， 空化装置产生的节流作用使得流速突然增大、 压力极速降低， 当缩流断面处压力降低至临界压力(局部压力低于操作温度下溶液的饱和蒸汽压)溶液中所含的非溶解性气核随着压力的降低形成大量空泡， 随着射流膨胀以及管路内压力逐渐恢复， 空泡被压缩直至溃灭. 在空泡溃灭瞬间产生高达1 900～5 200 K的温度及5.065×107Pa的压力、 形成强烈的冲击波和高速射流(400 km/h)、 产生强氧化性羟基自由基·OH[7-9]. 利用空化效应产生的极端物理环境和化学效应， 可以降解废水中有机物.

罗丹明B是一种人工合成的阳离子型染料， 在纺织印染、 激光材料、 实验染色剂等方面应用广泛， 由于其毒性和强稳定性， 常作为难降解有机物的代表来模拟染料废水进行研究[10]. 罗丹明B分子结构如下：

近年来， 众多学者应用孔板对罗丹明B的降解进行了研究， 发现空化对罗丹明B有一定的降解效果， 同时对孔板参数及其水力特性进行了探究[11-12]； 为提高降解效率， 一些学者将水力空化技术与H2O2、 O3等氧化剂结合， 发现罗丹明B降解效果显著提升[13-15]. 另外， 文丘里管作为空化反应器的研究主要集中在数值模拟方面[16-18]， 通过模拟实验为文丘里管尺寸设计提供理论依据， 但对文丘里管产生空化效应的实际实验验证较少.

因此， 本文配置一定浓度的罗丹明B为目标降解物， 设计了8种尺寸的文丘里管， 分别装在自行设计的水处理实验装置中， 通过实验研究文丘里管的结构参数对降解效果的影响并考察了反应时间对降解效果的影响， 为文丘里管的尺寸设计提供实验依据.

1 实验部分

1.1 实验装置

自行设计了一套以不同尺寸文丘里管为核心的水处理装置， 该装置为封闭循环系统， 由主管路和旁路组成. 组成部件包括： 离心泵(型号CDLF4-100)、 管件管路、 两个压力表、 文丘里管、 流量计、 三个PP-R专用球阀、 水箱(容积为90 L)， 冷凝管. 其中， 文丘里管的入口压力及流速主要通过阀门控制调节旁路流量实现， 从而控制空化强度， 找到降解罗丹明B废水的最佳条件. 冷凝管放置在水箱中是为了保持反应溶液温度恒定， 减少温度变化对空化效果的影响. 水力空化装置结构如图 1 所示.

图 1 水力空化装置结构图Fig.1 Scheme of the hydrodynamic cavitation device

选用文丘里管作为空化装置， 文丘里管由渐缩段、 喉管与扩散段三部分组成[19]. 文丘里管结构如图 2 所示：L1为收缩段长度，L2为扩散段长度，l为喉管长度， 喉部直径为d1， 管路直径为d2. 由于文丘里管水力特性的差异， 通过文丘里管结构参数变化， 使废水在通过文丘里管时发生能量转换. 在渐缩段， 动能不断增大， 静压能不断减小， 在喉部压力降到最低， 当最低点压力达到临界压力时产生大量空化泡. 当携带有大量空泡的流体流经扩散段时， 压力逐渐恢复至正常值， 空泡溃灭， 溃灭瞬间产生巨大能量， 伴随复杂的物理化学效应.

为研究文丘里管结构参数对水力空化效果的影响， 自行设计了8种不同尺寸的文丘里管. 具体结构参数如表 1 所示.

表 1 文丘里管结构参数值

1.2 实验步骤

1) 称取一定量的罗丹明B试剂， 溶解于60 L水中， 配置成10 mg/L的罗丹明B溶液. 溶液加入水箱， 并搅拌均匀.

2) 在废水处理装置主管路上安装1号文丘里管， 开启冷凝装置保证废水温度恒定在40 ℃. 用烧杯取适量水样， 测出并记录初始吸光度.

3) 开启离心泵使废水在管路中循环通过文丘里管， 通过旁路阀门调节使得管路压力分别为0.2 MPa,0.3 MPa,0.4 MPa. 在恒定压力、 恒定温度下(0.2/0.3/0.4 MPa, 40 ℃)， 每间隔10 min 测一次水样的吸光度， 共测6次(系统共循环1 h)， 记录进口压力、 循环时间、 水样吸光度等数据.

4) 更换2～8号文丘里管， 重复上述实验.

1.3 罗丹明B溶液浓度及降解率计算方法

采用UV-9600紫外可见分光光度计在波长554 nm处测得不同浓度罗丹明B溶液的吸光度， 根据朗德-比尔定律可知吸光度与浓度成正比， 据此可绘制罗丹明B标准工作曲线(如图3所示). 对标准曲线拟合可得罗丹明B溶液浓度计算式为

(1)

式中：C为罗丹明B溶液的浓度;A为一定浓度罗丹明B溶液对应的吸光度值.

罗丹明B的降解率

(2)

式中：C0为反应前罗丹明B溶液的浓度;C为反应后罗丹明B溶液的浓度;A0为反应前罗丹明B溶液的吸光度值; ΔA为反应后与反应前罗丹明B溶液的吸光度差值.

图 3 罗丹明B标准曲线图Fig.3 The standard working curve of Rhodamine B

2 实验结果及分析

2.1 喉径比对罗丹明B降解率的影响

编号为vent.8, vent.7, vent.5, vent.1的4个文丘里管喉径比β分别为0.24, 0.20, 0.16, 0.08(β(vent.8)>β(vent.7)>β(vent.5)>β(vent.1))， 其他尺寸参数均相同. 对这4个文丘里管在相同温度、 不同压力下降解罗丹明B的实验结果进行对比， 可以得出喉径比对罗丹明B降解率的影响. 实验结果如图 4 所示.

由图 4 可知， 在相同温度、 不同压力实验条件下， 罗丹明B降解效率均随着文丘里管喉径比β的减小(由0.24降至0.08)呈现先增加后降低的趋势， vent.5号文丘里管空化效果最好， 降解率最高可达到15.8%. 当喉径比β由0.24降低至0.16时， 空化效应增强， 罗丹明B降解率提高. 这是由于随着喉径比β减小， 流经文丘里管的流体流速增大， 喉部压强降低， 使得空泡膨胀达到的最大半径增大， 空泡初生-发育-溃灭的历程延长、 溃灭时泡壁速度增大， 在空泡剧烈溃灭瞬间会产生较大压力和大量的·OH[20]. 对于非挥发性物质而言(罗丹明B不可挥发)， 空化产生的化学效应主要发生在空泡表界面[21]， 因此剧烈的空泡溃灭增强了空化效应， 促进了罗丹明B的降解反应； 但随着喉径比β进一步降低至0.08， 空化强度反而降低， 降解率下降. 这是因为喉径比进一步减小将导致流速过快， 巨大的冲击射流会阻碍空泡的发育降低空化效应. 因此在本实验条件下， 最佳喉径比为0.16.

图 4 文丘里管喉径比对罗丹明B降解率的影响Fig.4 Effect of venturi throat to pipe diameter ratio on the degradation rate of Rhodamine B

2.2 喉管长度对罗丹明B降解率的影响

编号为vent.2, vent.5, vent.6的文丘里管喉段长度分别为25 mm, 30 mm, 35 mm(l(vent.2)

由图 5 可知， 在相同温度、 不同压力条件下， 随着文丘里管喉管长度不断增大(由25 mm增加至35 mm)， 罗丹明B降解率先升高后降低， 即喉管长度条件存在最佳值30 mm. 罗丹明B降解率出现先升高后降低的趋势可能的原因如下： ① 当喉管长度过小时， 空泡来不及生长溃灭就被带走， 空泡最大成长率(Rmax/R0)减小、 溃灭压力减弱[22]， 从而使空化效果减弱， 罗丹明B降解率减小； ② 当喉管长度过大时， 空泡受到液体粘性力长时间作用， 其寿命变短， 使空化效果减弱； ③ 喉管长度过大使射流区扩大， 与文丘里管壁形成强烈扰动， 影响空化效果.

图 5 文丘里管喉管长度对罗丹明B降解率的影响Fig.5 Effect of venturi tube throat length on the degradation rate of Rhodamine B

2.3 扩散段长度对罗丹明B降解率的影响

编号为vent.3, vent.4, vent.5的文丘里管扩散段段长度分别为30 mm, 60 mm, 90 mm(l(vent.3)

图 6 文丘里管扩散段长度对罗丹明B降解率的影响Fig.6 Effect of venturi tube diffusion length on the degradation rate of Rhodamine B

由图 6 可知， 在不同压力、 相同温度实验条件下， 罗丹明B降解率均随文丘里管扩散段长度由30 mm增加至90 mm而升高， 即在各个压力下， 扩散段长度为90 mm的vent.5均对罗丹明B降解效率最高. 分析其原因， 空泡在喉部形成后， 随流体进入扩散段后开始生长、 发育、 溃灭， 随着扩散段长度增加， 一方面使得压力恢复速率降低， 空泡因此得以充分生长和扩散， 使得空化区域增大， 从而扩大与罗丹明B的接触面积， 提高降解率.

2.4 压力对罗丹明B降解率的影响

由图 4～图 6 综合分析可看出不同文丘里管在相同实验条件下， 均在0.4 MPa压力条件下降解率达到最高. 究其原因， 可能是由于： 当入口压力由0.3 MPa增加到0.4 MPa时， 一方面， 喉部的压力进一步降低， 空化更容易形成， 空化强度增强； 另一方面， 空化泡的初始半径随之减小， 增加了空化泡的存在时间， 增大了空化泡的溃灭压力. 但是， 随着压力增加至0.5 MPa， 渐扩段反馈回喉部的压力不断增大， 使得形成空化的难度增加， 空化泡溃灭压力减小， 空化效应减弱. 因此， 随着压力由0.3 MPa增加至0.5 MPa， 罗丹明B的降解率先增高后降低， 降解反应最佳压力为0.4 MPa.

2.5 运行时间对罗丹明B降解率的影响

由图 7 可以得知， 8个文丘里管对罗丹明B的空化降解率均随着反应时间的延长而逐步上升， 0～40 min降解率上升速度较快， 40～60 min降解率上升速度逐步减缓. 出现此现象的原因是， 运行时间延长， 经过文丘里管的次数变多， 产生空化效应的次数增加， ·OH产量增加[20]， 所以与罗丹明B的反应量增加， 由于40～60 min反应速率降低， 所以考虑到经济因素， 将反应时间定在60 min.

3 结 论

本文设计了8个尺寸不同的文丘里管， 分别在压力0.3～0.5 MPa、 温度为40 ℃下， 对一定浓度的罗丹明B溶液进行降解， 分析了文丘里管尺寸等参数对降解效果的影响.

1) 自行设计的文丘里管可以产生空化效应， 并部分降解溶液中的罗丹明B， 其中编号为vent.5的文丘里管空化效果最好， 在温度40 ℃、 压力0.4 MPa、 反应时间1 h条件下， 降解效率最高为18.5%.

2) 在相同温度、 不同压力条件下， 当文丘里管喉径比β由0.24降至0.08时， 罗丹明B降解率均呈现先增加后降低的趋势， 喉径比为0.16时， 罗丹明B降解率出现最大值； 文丘里管喉管长度由25 mm增加至35 mm时， 罗丹明B降解率先升高后降低， 喉管长度为30 mm时， 罗丹明B降解效果最好； 罗丹明B降解率随着文丘里管扩散段长度(30～90 mm)的增加而升高， 即最佳扩散段长度为90 mm.

3) 压力、 时间影响水力空化效果. 实验条件下， 最佳空化压力为0.4 MPa， 罗丹明B降解率随着运行时间的延长不断提高. 因此， 可通过调节入口压力， 延长运行时间， 改变文丘里管设计参数等增强空化效应.

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Effect of Venturi Tube Structure Parameters on Degradating Rhodamine B Dye Wastewater with Hydrodynamic Cavitation Technique

YANG Si-jing, JIN Ri-ya, QIAO Yi-na, SHI Shu-ting

(School of Chemical and Environment Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

To study the effect of venturi tube structure parameters on hydrodynamic cavitation intensity, a water treatment equipment based on eight venturi tube with different structure parameters was designed to treat the Rhodamine B wastewater. The influence of venturi tube structure parameters, inlet pressure and reaction time on the cavitation effect were researched, experimental results are shown as follows: The strength of the cavitation effect is closely related to the structure parameters of venturi tube. As the inlet pressure increase from 0.3 to 0.5 MPa, the degradation rate of Rhodamine B of different venturi tubes show the tendency of increases firstly and then decreases.The change of venturi throat to pipe diameter ratio(0.24～0.08) and venturi tube throat length(25～35mm) have the same effect tendency on degradation rate of Rhodamine B than that of inlet pressure. As the reaction time extend from 0 to 60min, venturi tube diffusion length increace from 30 to 90 mm, degradation rate of Rhodamine B present a rising tendency, the maxmum degaradation rate of venturi tube can attain 15.8%.

hydrodynamic cavitation; Rhodamine B; venturi tube; wastewater treat

1673-3193(2017)01-0072-06

2016-09-02

山西省技术攻关项目(2015031020)

杨思静(1988-)， 女， 博士生， 主要从事污水处理的研究.

X703

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.01.014