水力空化技术最新应用研究进展

程海涛*，申献双

1. 衡水学院化工学院（衡水 053000）；2. 衡水学院美术学院（衡水 053000）

水力空化最近作为一种新型高效处理技术被广泛应用于化工过程、环境污染治理、生物化工、药物合成与制剂、食品过程加工、乳液聚合物合成等领域，并且应用的领域仍在飞速地扩展[1]。

对水力空化技术机理、水力空化装置设计、水力空化在不同领域应用进行了综述。深入探讨了水力空化作用的基本参数空化数定义与其影响因素的关系式，最终得到空化数计算公式，用于描述空化效应，解释空化效应下空化泡的产生、生长、溃灭整个过程。对现有水力空化装置类型进行了总结，给出了现有空化装置结构图，以及水力空化应用工艺流程图。最后，对于最新水力空化技术应用在不同领域的机理、影响规律、研究结果进行了分析、总结，为水力空化技术应用提供全面的理论、技术基础。

1 水力空化理论基础

不同领域的研究者在研究水力空化技术应用于本领域的过程中，都非常重视利用空化数（也称为空化参数，σ值）作为描述水力空化作用机理、装置参数设计、试验程序安排等研究内容的基础理论。Saharan等[2]研究说明，水力空化数在0.13～0.18范围内水力空化技术的脱色效率最高。Rautjadhav等[3]，试验研究表明，最佳水力空化数σ=0.067。Sivakumar等[4]经过研究得出较低的空化数可以提高药物的降解程度。Badve等[5]研究表明，σ=0.4时COD的降解率最大。Bagal等[6]经过研究表明，空化效果最大时，水力空化数σ=0.1-1。Gogate[7]经研究指出，水力空化最初出现时σ=1，当σ小于1时出现强烈空化效应。Capocelli等[8]研究揭示，当在去除率和能量效率方面最优条件下，σ=0.25。Wang等[9]研究结果说明，甲草胺降解率与空化数值有密切的关系。Gore等[10]研究指出，活性橙4的降解由空化数和其他参数决定。Kumar等[11]揭示了空化数影响化学反应的规律。Sawantet等[12]预测了各种空化装置中发生空化时空化数强度，经过研究表明空化数可作为水力空化装置性能比较的参数。Wu等[13]研究了不同形状空化装置的空化数，研究表明空化效应出现时σ远小于1。Filho等[14]利用空化技术灭活时空化数σ=0.14。Aroyo等[15]与Mezule等[16]的研究过程仅指出了影响空化装置的空化数σ，并未针对其他细节进行研究。

1.1 水力空化产生机理

水力空化产生机理[1]根源在于：当液体中的压力下降到低于特定温度下液体的蒸汽压力时，液体内部出现蒸汽泡。条件如式（1）所示。多数科研工作者倾向于使用非维度化的数值，在这种情形下压力系数（也称为欧拉数）如式（2）所示。结合式（1）和（2）式，空化首次发生系数定义如式（3）所示。如果CP,min被确定，那么参考压力下首次出现空化参数P0,cav可被式（4）定义。式（4）取决于几何形状，流体，流体温度和流速。

式中：Pmin是最小静压力；PV为液体在给定温度下的饱和蒸气压。

式中：P0和V0是初始压力和速度。

式中：CP,min为负数，是几何和速度的函数。

1.2 空化数的定义[1]

Diether Thoma在1920年定义的空化数是欧拉数的一种。它是一种无量纲参数，从那时起被用于评价空化的可能性，空化数σ如公式（5）所示。任何形式的流体流动，空化与否，都可以归因于空化数，其值又取决于几何形状、流体、流体温度和流动速度。 空化首次出现的条件也可写为式（6）：

降低空化数值会导致空化现象或已经存在空化程度的增加。

1.3 空化效应

水力空化效应的产生，起源于流体内压力低于饱和蒸气压流体汽化产生的气泡-空化泡，随着流体压力继续降低、体积继续增大，当压力恢复到以往压力时，溃灭时产生的高温、高压、强烈的冲击波及高时速的微射流，会引发流体流场中出现多种倍加效应[17]：（1）瞬间高能量的作用会破坏物质化学键形成高能量、高活性自由基，引发自由基链式反应，起到强化化学反应过程的作用；（2）由空化数定义与计算公式可以得出，为了产生空化泡发生空化效应，流体要提高流速达到降低压力的目的，在流场内部产生冲击流和微射流，产生强烈的扰动机械效应，强化了流场内部物质的扩散与接触，加速了流体内部传质过程；（3）空化泡溃灭产生的局部高温，会形成局部热点效应，能量会向释放到周围空间，能量传递过程会破坏分子化学键，使物质分子量降低，达到强化物质分解的目的。

2 水力空化装置

水力空化装置是水力空化工艺中主要组成部分。水力空化装置设计机理，基于水力空化的产生即生成空化泡的初始条件，流体的压力要低于流体饱和蒸气压。由空化数公式（5）推理可知，提高流体速度、流体压力降低，均会对空化数产生影响，但是结合实际情况，水力空化部件的结构设计要达到提高流速的目的。

基于以上机理，水力空化装置主要有涡流空化装置、多孔板水力空化装置、文丘里管式空化装置、撞击流空化装置[18]，除了水力空化装置部件，水力空化工艺流程中还有动力装置（离心泵），以及相应的阀门、体系温度控制部件，具体图解分别如图1和图2所示。水力空化工艺流程中，水力空化装置的位置，有两种形式，分别在管路、浸没于液面下面。

图1 水力空化部件结构图

图2 水力空化工业化组合设计

3 水力空化技术的应用

3.1 降解有机物

水力空化降解有机物机理在于，水力空化产生的高温、高压的热效应与产生高活性自由基效应，破坏有机化合物化学键或者引起有机化合物自由基链式降解反应。研究者根据此原理，研究了水力空化过程中压力、时间、温度等因素影响有机物降解的规律，优化操作条件，得到降解有关有机物的最优水力空化工艺。同时，根据自身降解目标的状态与实际情况，设计了有针对性的水力空化装置，优化了有关设计参数。

卢贵玲等[19]利用孔板水力空化-Fenton试剂协同体系降解双酚A。孔径1 mm、孔板直径40 cm、孔数61与Fenton试剂空化降解效果最好；Fe2+浓度越大，强化降解越好；水力空化压差、过氧化氢对双酚A的降解效果会出现极值。

邓冬梅等[20]探讨了撞击流-文丘里管空化组合装置降解焦化废水可溶性有机物机理。经UV-Vis光谱分析，空化过程中羟基自由基进攻有机物分子中碳碳双键，芳环结构被破坏，有机物变为小分子化合物。

孔维甸等[21]研究了水力空化强化二氧化氯氧化苯酚的降解机理。降解过程符合一级动力学规律；效率提高40%；随着压力增大，降解率先增大后减小；增加孔数、开孔环状分布，降解率较高；降解过程从醌类化合物氧化为脂肪酸，最终降解为水和二氧化碳。

邓橙等[22]研究了多孔孔板水力空化装置，降解石油废水的机理及影响因素。羟基自由基，引发链式自由基降解，产物为二氧化碳和水；石油废水有机物的去除效率为84.28%，不引发二次污染；奠定了水力空化、吸附、膜分离协同处理石油废水理论基础。

徐美娟等[23]利用水力空化-Fenton试剂协同处理废纸制浆废水，研究孔板特性参数对废水降解效果的影响。降解制浆废水符合一级反应动力学方程；过流率相同，缩小孔径提高降解效果；交错式孔口布局强化空化均匀分布；空化降解存在临界空化数。

3.2 水力空化物理改性

水力空化物理改性，是指物质结构的变化所需要的能量或活性物质，是由流体物理性质改变而引发的，水力空化过程中，流体经过水力空化装置，流速增加压力低于液体饱和蒸气压而产生的空化泡，空化泡随流体流动而生长、溃灭，产生强大能量场，从而引发物质结构变化。

任仙娥等[24]通过涡流空化装置，研究水力空化对大豆分离蛋白结构的影响。水力空化处理样品30 min乳化性、起泡性达到最大值；水力空化有利于功能蛋白的改性，有工业化的成本、操作、能耗的优势。

黄永春等[25]研究水力空化强化亚硫酸钙澄清原糖液过程中脱色效果。自行设计了涡流空化装置；强化亚硫酸钙脱色原糖液效果显著，脱色率提高9.7%；优化工艺为空化时间5 s、压力0.1 MPa、温度50 ℃。

黄永春等[26]研究了水力空化对原糖溶液表面张力的影响，拓展了在制糖工业的应用。涡流水力空化作用初始表面张力显著下降；原糖溶液表面张力随水力空化温度下降、水力空化压力增加、原糖溶液浓度提高而降低。

3.3 水力空化灭活微生物

水力空化杀菌灭活微生物，机理在于水力空化产生的热效应、冲击效应等物理效应破坏了微生物的细胞结构，使微生物细胞代谢过程受到影响，抑制微生物繁殖，达到灭活、杀菌的效果。

董志勇等[27]将方孔多孔板与文丘里串联，灭活自来水中总菌落与大肠杆菌。25方孔交错设计、喉部300 mm、出口角度4.3°串联空化装置灭活效果最理想；水力空化时间20 min灭活效果达到极值。

李大庆等[28]将三角孔多孔板与文丘里管空化装置组合，对胜利河原水进行灭活研究。单位面积孔口越多灭菌效率越高；交错式优于棋盘式空化效果；交错排列式孔板与文丘里组合灭活效果最优。

王磊等[29]研制了可变扩散角的文丘里管，用于杀灭水中微生物。提高喉部流速，降低空化数，提高杀灭微生物效率；空化效果最佳参数：扩散角α=4.3°，扩散段450 mm，流速30.70 m/s。

田一平等[30]研究了常压电离放电协同水力空化灭活饮用水机理。空化过程中高浓度氧自由基是杀菌净化的根源；最优强电离放电工艺参数：时间3～10 s、功率160 W、自由基质量浓度0.8～1.2 mg/L。

叶德宁等[31]设计了水力空化-电解耦合设备。流体经空化装置直接撞击电极板提高电子传递效率。水力空化-电解耦合破坏藻类细胞超微结构，细胞壁与细胞质剥落、溶化，达到抑藻效果。

3.4 水力空化强化化合物的制备

有机化合物的合成过程需要分子间有效的接触距离与接触频率，水力空化的空化效应在流体流场内部产生冲击流和微射流，产生强烈的扰动机械效应，强化了流场内部物质的扩散与接触，加速了流体内部传质过程，尤其是对互不相溶的两相反应过程强化效果更为显著。

张昆明等[32]设计了强化离子交联法制备壳聚糖抗菌微粒过程的文丘里管。装置参数入口直径15 mm、出口直径20 mm、缩段10.2 mm、喉管段12 mm、扩张段长度18 mm、喉管直径3.2 mm。最优工艺：压力0.2 MPa、时间20 min、质量浓度3.0 g/L、TPP-壳聚糖6∶15、MIT 0.5 mmol/L，微粒粒径均匀、分散性好、粒径更细、包封率更高。

陈卫等[33]自行设计了一种用于强化液-液非均相反应体系制备化合物的水力空化装置。水力空化微观混合，克服了机械搅拌过程中旋涡的出现，产率提高，能耗降低，时间缩短。通过正交试验，对环氧大豆油制备的工艺条件进行了优化。

俞云良等[34]利用孔板水力空化，强化高芥酸菜籽油、甲醇/KOH制备芥酸甲酯与脂肪酸甲酯。通过增强醇-油不相溶体系的乳化效果，增加两相的接触机会与面积，加快传质速率，提高产率；反应时间缩减50%，产率提高5%，原料利用率接近100%。

3.5 水力空化过程的数值模拟

为了研究水力空化过程有关流场、空化泡分布特征，利用有关数学模型、有关模拟软件、现代化成像观测仪器，对水力空化现象进行观测、仿真模拟、进行数学计算，得到体现有关流场变化规律的模型，最终利用实际水力空化试验对进行模型进行验证，最终确定有关公式。

张赟阁等[35]利用二维轴对称模型，模拟文丘里水力空化流动流场特性。空化压力比值小于0.7产生显著空化现象，流量变化不明显；含气率随空化压力比值增大而减小，大于0.2时含气率稳定在一数值范围内，等于0.2出现周期性变化。

李改锋等[36]利用Fluent软件模拟自制文丘里管流体内部场的分布。压力从收缩段0.295 MPa到喉部-0.071 MPa下游扩大段0.086 MPa；收缩段流速增加到27.79 m/s扩大段含气率95%；模拟结果与试验数据基本一致；利用苯酚降解对模拟结果进行了验证。

陶跃群等[37]建立了空化装置下游湍流流场空化泡运动驱动压力、空化泡运动模型，参数为黏性、可压缩性、表面张力、水分子扩散、导热性；再现流体流动方向空化泡产生、生长、溃灭等全过程。利用FactSage软件，经数值求解方法得到温度、水分子数、压力参数，分析与计算得到羟基自由基的数量。

刘影等[38]利用数值计算法，讨论孔结构影响空化流动，研究内孔式旋转空化机理。内孔式旋转空化机理是转子高速旋转造成负压；倾斜角增大，空化效果减弱，水气交换效果增强。

满海涛等[39]利用FULENT软件模拟了高压空化液体内部、喷嘴内部流场。分析不同空化压力流场分布、含气率规律；随着水力空化入口压力的增大，空化流场流速最大值以及液体其含率都逐步增大。

沈壮志等[40]通过模拟计算水力空化泡径向流动非线性方程，得到空化泡产生、生长、溃灭过程的特性。湍流状态，空化呈现瞬间规律；空化泡生成半径越小，压力脉冲越强烈，入口压力存在最佳值。

章昱等[41]利用k-ω湍流模型，模拟空化区域空化数、含气率。经实际试验、高速成像说明实际分布规律与模拟一致；还对水力空化效果进行了模拟，提高入口压力、降低液体密度、减小液体黏度、适度增加含气率、减小孔径有利于空化效果的提升。

黄永春等[42]利用Gilmore空泡运动方程，模拟壳聚糖溶液空化泡产生、生长、溃灭动力学特性参数。初始空化泡直径越小空化效果越强烈；提高孔板入口压力、降低孔板出口压力、减小孔板喉部直径、增长孔板下游扩散段长度、提高体系温度、降低溶液浓度有利于空化效应的产生。

3.6 水力空化动力学研究

有关水力空化动力学研究主要集中于水力空化效应强化化学反应动力学研究、水力空化有关影响因素变化规律的动力学研究、降解有机化合物动力学研究，为水力空化技术的应用、水力空化装置设计提供理论支持与遵循。

张锐等[43]对多孔孔板水力空化降解亚甲基蓝动力学进行了研究。水力空化降解亚甲基蓝与一级动力学规律一致，多孔孔板水力空化器空化效果优于单孔水力空化器，孔板空化器孔越多，降解速率越大。

沈壮志等[44]对超声波影响文丘里管空化泡动力学特性进行了数值研究。湍流使空化泡运动呈现瞬间无规律变化；超声声压对空化泡成长过程影响不大，引发多次回弹脉冲；恰当的频率稳定空化效果与空化泡运动。

蔡军等[45]对湍流流动条件下空化泡温度进行了动力学研究。空化泡溃灭热效应，源于空化泡径向较大温度梯度变化与空化泡外形成的热边界层；空化泡稳定半径越小溃灭热效应越高；热效应温度随入口压力升高而提升。

叶晋等[46]在多孔板下游安装了管道泵，设计了新型水力空化装置。研究下游压力变化影响水力空化效果。管道泵使孔板下游呈现负压区，水力空化效果并未提高；理论分析孔板下游压力越小空化泡形成越多，管道泵的启动虽然降低了压力，但是无法减小回流现象，空化泡来不及溃灭被管道泵带走，缺失溃灭过程，空化效应减少。

王惠敏等[47]研究液体雷诺系数与水力空化数的关系。雷诺系数与水力空化数关系为CV=K×，雷诺系数增大水力空化数减小；得到孔板压强与流速的关系，为优化水力空化操作条件提供理论依据。

4 结语

水力空化技术作为新兴、高效过程处理技术，被广泛应用于化工、过程工业、污水处理等领域。针对水力空化的机理、水力空化基础理论、水力空化装置参数优化设计、水力空化流场数值模拟计算、水力空化过程仿真模拟等方面进行了深入、有成效的研究，得出了有应用价值的研究结论。水力空化技术的进一步应用，需要在水力空化理论上进行深入探究，探索水力空化过程具有的新型效应，针对水力空化过程产生的现象进行科学的解释并进行科学定义，为水力空化技术的深入研究与应用提供坚实的理论基础。