CN108706682B - 一种低噪音多频超声化学反应器及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低噪音多频超声化学反应器，属于难降解工业废水处理领域，其主要是利用多种不同频率超声波发生器产生水平与垂直方向上三种不同频率的超声波形成超声波辐照网，通过圆弧面形聚焦将三种不同频率的超声波进行复合叠加作用可达到比单方向单一频率超声波辐照更显著的空化效应和机械强度，本发明的超声辐照均匀、噪音低且有机物降解速率快，废水处理效率高。

Description

一种低噪音多频超声化学反应器及应用

技术领域

本发明属于难降解工业废水处理领域所涉及的超声废水处理装置，具体涉及一种低噪音多频超声化学反应器及多频超声化学废水处理方法。

背景技术

随着人类生产生活的发展，大量有机污染物的废水、染料废水排放进入水体当中，城市水污染日益严重。其中大多数的废水来自于纯碱、氯碱、染料制造、造纸、化工、涂料、食品和饮料等行业，特别是化工、印染行业排放的难降解高浓度有机废水，成分复杂，有机物浓度高，给处理工艺和设备提出了更高的要求。

超声技术作为一种物理手段和工具，在处理难降解有机污染物有着自身独特的优势。近年来，超声降解作为一种高级氧化技术被广泛应用于处理有机染料废水的研究当中。超声降解作用的主要机理是超声空化，而空化现象是指当液体内部局部压力降低至液体温度对应的饱和蒸汽压力时，在液体中或固液界面上蒸汽或气体空穴(空化泡)的形成、生长及溃灭的过程。研究表明，空化泡急剧溃灭瞬间会在液体介质中形成局部高温高压环境，并伴有强烈冲击波和高速射流，同时释放出大量的能量。该能量使得空化泡内部的水蒸气在高温、高压的环境下发生裂解反应，产生高活化性的自由基和氧化剂。空化泡崩溃形成的微射流使得这些自由基和氧化剂进入液相与液体混合，从而与液体里的有机污染物发生氧化反应，将水中绝大多数有机污染物氧化为无害物质，从而实现染料废水的处理。

现有的文献报道当中，绝大多数是采用单频超声辐照的方法，然而，单频超声波的传播波形都是有一系列波峰和波谷，波峰代表声压振幅最大，其空化效果也最强，波谷代表生压振幅最小，即空化效果最弱。所以，为了使超声波在处理液中处处都是空话效果强，就需要有另一频率超声波来弥补前一超声波的波谷，既让后一频率超声波波峰弥补前一超声波波谷，前一超声波的波峰弥补后一超声波的波谷，双/多频复合超声收到了越来越多的关注。双/多频超声产生的谐波叠加增强了气泡的径向运动，加强了整流的扩散，进而增加了空化的强度。

申请号201420857585.4的中国实用新型专利申请提出了“双频超声波农药降解实验平台”。其中的反应器使用低频的超声波发生器的变幅杆探头伸入底部贴有高频超声波发生器的水槽当中，只是进行了简单的上下自行组合而成，只有两个不同频率的超声发生器，结构过于简单，不能满足实验废水的连续、长期要求。

申请号200410024548.6的中国发明专利申请提出了“双频超声波吹脱废水中挥发性污染物的方法”，其中，使用的反应器为器皿底部设有两组不同频率的超声波换能器的开口容器，但这也只是在传统的单一频率槽式反应器底部增加了一组高频率的超声波换能器，即从同一水平面的开口容器底部向上发射两股不同频率的超声波，考虑的是同向双频超声对废水处理效果的影响，并未涉及异向双频超声耦合后对废水处理效果的影响，无法最大化发挥双频超声的废水处理效果。

发明内容

为了克服现有技术中超声波处理废水所存在的同方向单一频率超声波辐照不均，·OH自由基的产率低、工作产生噪音大的问题，本发明提供了一种工作噪音低和多频超声波辐照均匀且产生·OH自由基产率高的低噪音多频超声化学反应器。

同时，本发明还提供了一种利用上述低噪音多频超声化学反应器实现的低噪音多频超声化学废水处理方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种低噪音多频超声化学反应器，包括壳体1以及设置在壳体1上的盖板2，壳体1内设置有至少两种不同频率的超声波发生器、超声波换能器组以及反应容器6；超声波换能器组与超声波发生器连接，所述超声波换能器组包括向反应容器6径向辐射超声波的横向超声换能器组和沿反应容器6轴向辐射超声波的纵向超声换能器组，横向超声换能器组设置在反应容器6的周向外壁上，纵向超声换能器组设置在反应容器6的底部，横向超声换能器组和纵向超声换能器组分别从反应容器6的侧部和底部的不同方向发射出不同频率的超声波在反应容器6内形成超声波辐照网；所述盖板2上开设有与惰性气体管道7连通的惰性气体入口；

所述反应容器6是由下而上拼接为一体的筒底62和筒体61组成，所述筒底62为圆弧面型，在其侧壁开设有进水口，在筒体61的上侧壁上设置有出水口。

进一步限定，所述反应容器6的筒底62半径是筒体61高度的1/3～2/3，筒底62的圆心角为120～180°。

进一步限定，所述盖板2与壳体1相对的内侧上设置有吸声降噪层8。

进一步限定，所述横向超声换能器组是由至少2个不同频率沿反应容器6径向辐射声波的横向超声波换能器3组成，在同一水平面上，相邻设置的两个横向超声波换能器3的频率不同；沿着纵向分布在不同高度的横向超声波换能器3的频率不同且满足自下而上频率逐步减小。

进一步限定，所述纵向超声换能器组是由1个或多个沿着反应容器6轴向辐射声波的纵向超声波换能器4组成，所述横向超声换能器组的频率均小于纵向超声换能器组的频率。

进一步限定，所述壳体1与反应容器6之间还设置有循环水装置5。

一种通过上述的低噪音多频超声化学反应器实现的低噪音多频超声化学废水处理方法，其包括以下步骤：

在恒温条件下，利用横向超声换能器组与纵向超声换能器组分别产生横纵向交叉辐射且频率不同的超声波，通过反应容器6的筒底62聚焦复合叠加，形成均匀分布的超声波辐照网，使溶入惰性气体的水体在超声波辐照下空化泡密度增强，污染物加速降解，完成水体的多频超声化学处理。

进一步限定，所述横向超声换能器组是由至少2个不同频率沿反应容器6径向辐射声波的横向超声波换能器3组成，在同一水平面上，相邻设置的两个横向超声波换能器3的频率不同；沿着纵向分布在不同高度的横向超声波换能器3的频率不同且满足自下而上频率逐步减小。

进一步限定，所述纵向超声换能器组是由1个或多个沿着反应容器6轴向辐射声波的纵向超声波换能器4组成，所述横向超声换能器组的频率均小于纵向超声换能器组的频率。

进一步限定，所述横向辐射的超声波频率为25～100KHz，纵向辐射的超声波频率为100～200KHz。

本发明的低噪音多频超声化学反应器主要是利用横向超声换能器组与纵向超声换能器组分别产生横纵向交叉辐射且频率不同的超声波，通过反应容器的筒底聚焦复合叠加，形成均匀分布的超声波辐照网，使溶入惰性气体的水体在超声波辐照下空化泡密度增强，污染物加速降解，达到废水处理的目的。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明中利用三种不同频率超声波发生器产生水平与垂直方向上三种不同频率的超声波形成超声波辐照网，通过圆弧面形聚焦将三种不同频率的超声波进行复合叠加作用可达到比单方向单一频率超声波辐照更显著的空化效应和机械强度，超声沿着水流方向不同角度和高度均匀辐照，同时作用，提高废水的污染物降解速率，缩短处理时间，大大增加了设备的处理能力和处理效率。

(2)系统可以通过电热偶以水浴的形式改变实验的温度，通过温度计上的读数显示当前实验的温度，在通过循环水装置进行控温，从而可以实现不同温度下多频超声波对实验的影响。

(3)反应器设计合理，增大了超声波的有效辐照面积，通过注入氩气，增加反应器内气态核子，在减少H₂O₂的无效分解的同时增加了液体在超声辐照下的空化泡密度，系统氧化能力强，对污染物的降解速率加快。

(4)超声换能器通常在工作的时候会产生巨大的噪音，本发明通过在上吸声盖板增加吸声降噪层，大大降低了工作是产生的噪音，实现了低噪音处理。

附图说明

图1为实施例1所提供的多频超声化学反应器的结构示意图。

图2为图1的反应容器6的结构示意图。

图3为实施例2所提供的多频超声化学反应器的结构示意图。

图4为单频作用下反应器内声场分布的截面图。

图5为三频作用下反应器内声场分布的截面图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。

实施例1

参阅图1所示，图1是本实施例所提供的多频超声化学反应器的结构示意图。

本实施例中，多频超声化学反应器是由壳体1、盖板2、横向超声换能器3、纵向超声换能器4、反应容器6、惰性气体管道7以及吸声降噪层8组成，其中：壳体1采用不锈钢金属制成的圆筒形外壳体，在壳体1的顶部安装有盖板2，将壳体1覆盖。

在壳体1的底部设置有固定板，将壳体1内腔分为恒温反应腔和固定空腔，恒温反应腔中设置有反应容器6，参见图2，反应容器6是由圆弧面形的筒底62和筒体61组成，即筒体61与筒底62拼接形成圆筒结构，筒底62为圆弧面形，其圆心角为180°，圆弧半径为8cm，筒体61半径为8cm，高度为18cm，是筒底62半径的2.25倍。在筒体61的上侧壁上开设有出水口b，在筒底62的侧壁上开设有与水箱连通的进水口a，使处理水下进上出。在筒体61的外壁上安装2组频率不同且沿径向辐射的横向超声换能器组，2组横向超声换能器组沿着纵向分布在不同的高度且频率是自下而上由大到小分布，其中第2组横向超声换能器组分布在筒体61下端与筒底62的拼接处。每组横向超声换能器组是由4个横向超声换能器3组成，且每组横向超声换能器组中的4个横向超声换能器3两两相对，相对设置的横向超声换能器3的频率相同，但是两个相邻设置的横向超声换能器3的频率不同，即分布在筒体61下侧壁的一组横向超声换能器组中在同一水平面上相对设置的一组横向超声换能器3的频率为25KHz，相对设置的另一组横向超声换能器3的频率为50KHz，分布在筒体61上侧壁的一组横向超声换能器组中在同一水平面上相对设置的一组横向超声换能器3的频率为5KHz，相对设置的另一组横向超声换能器3的频率为15KHz。在反应容器6的底部筒底62上设置有纵向超声换能器组，即可以是1个或者多个频率不同的纵向超声换能器4组成。本实施例的纵向超声换能器组是由1个频率为100KHz的纵向超声换能器4组成，且安装在反应容器6的筒底62外侧，另一端延伸至固定板的另一侧，通过固定板固定安装。

需要进一步说明的是，纵向超声换能器4的频率大于横向超声换能器3的频率，以保证竖直向上辐射的纵向声波与沿着径向横向辐射的声波从横纵不同方向辐射，不同频率的声波在弧形筒底62反射作用下复合叠加，形成一个分布均匀的超声波辐照网，降低噪音产生。

需要进一步说明的是，在盖板2上开设有取样口和惰性气体入口，取样口方便采集水样。在惰性气体入口上安装有惰性气体管道7，惰性气体管道7的另一端延伸至反应容器6内底部，可向反应容器6内通入比热比大于1.5的惰性气体，比如氩气或氮气，通入惰性气体，随着水流自下而上流动的过程中能够与惰性气体充分混合，在超声波辐照网作用下增加反应容器6内气态核子，减少H₂O₂的无效分解，增加了水体在超声辐照下的空化泡密度，系统氧化能力强，对污染物的降解速率加快。

需要进一步说明的是，本实施例在盖板2内侧还安装有吸声降噪层8，吸声降噪层8可以是泡沫塑料、脲醛泡沫塑料、工业毛毡和泡沫玻璃的任一种材料或混合材料均可，通过增加吸声降噪层8，更进一步降低了工作时产生的噪音。

利用上述的低噪音多频超声化学反应器实现低噪音多频超声化学废水处理方法，主要由以下步骤实现：

在常温条件下，利用横向超声换能器组与纵向超声换能器组分别产生横纵向交叉辐射且频率不同的超声波，通过反应容器6的筒底62聚焦复合叠加，形成均匀分布的超声波辐照网，使溶入氩气的水体在超声波辐照下处理污染物废水，使其中空化泡密度增强，污染物加速降解，完成水体的多频超声化学处理。由于氩气的比热比为1.67，相对较大，在超声辐照过程中水体中产生空化效应，空化泡崩溃瞬间所产生的温度最高，空化效应最强，更利于污染物降解。

实施例2

参阅图3所示，图3是本实施例所提供的多频超声化学反应器的结构示意图。

本实施例中，多频超声化学反应器是由壳体1、盖板2、横向超声换能器3、纵向超声换能器4、循环水装置5、反应容器6、惰性气体管道7以及吸声降噪层8、温度计9和加热器10组成，其中：壳体1采用隔热材料制成的圆筒形外壳体1，在壳体1的顶部安装有盖板2，将壳体1覆盖。在壳体1的底部设置有固定板，将壳体1内腔分为恒温反应腔和固定空腔，恒温反应腔中设置有循环水装置5和反应容器6，反应容器6安装在循环水装置5的内腔，即由反应容器6外壁与壳体1内壁之间形成可冷热水浴的循环水装置5，使反应容器6与循环水装置5形成夹套式结构，在壳体1的上侧壁上开设有循环水出口d，在壳体1的下侧壁上开设有与恒温水箱连通的循环水入口c，使循环水下进上出。在循环水装置5的上部设置有温度计9，可以实施检测循环水温度，在循环水装置5的上部设置有加热器10，当温度损失较大，低于设定处理温度时利用加热器10加热补偿温度损失。反应容器6是由圆弧面形的筒底62和筒体61组成，即筒体61与筒底62拼接形成圆筒结构，筒底62为圆弧面形，其圆心角为150°，圆弧半径为8cm，筒体61高度为24cm，是筒底62半径的3倍。在筒底62与筒体61拼接处的外壁上安装有横向超声换能器组，该横向超声换能器组是由3个横向超声换能器组成，且3个横向超声换能器3均匀分布在筒体61的外壁上，3个横向超声换能器3的频率分别为15KHz、25KHz、50KHz在反应容器6的底部设置有2组沿着反应容器6的轴向纵向辐射的纵向超声换能器组，本实施例的纵向超声换能器组是由1个频率为100KHz的纵向超声换能器4和2个频率为150KHz的纵向超声换能器4组成，频率为150KHz的纵向超声换能器4对称分布在频率为100KHz的纵向超声换能器4的两侧，纵向超声换能器4安装在反应容器6的筒底62外侧，另一端延伸至固定板的另一侧，即延伸至固定空腔，通过固定板固定安装。

利用上述的低噪音多频超声化学反应器实现低噪音多频超声化学废水处理方法，主要由以下步骤实现：

调整水浴至设定反应温度，在恒温条件下，利用横向超声换能器组与纵向超声换能器组分别产生横纵向交叉辐射且频率不同的超声波，通过反应容器6的筒底62聚焦复合叠加，形成均匀分布的超声波辐照网，使溶入氩气的水体在超声波辐照下处理污染物废水，使其中空化泡密度增强，污染物加速降解，若反应温度损失，利用加热器实时温度补偿，保证恒温，完成水体的多频超声化学处理。由于氩气的比热比为1.67，相对较大，在超声辐照过程中水体中产生空化效应，空化泡崩溃瞬间所产生的温度最高，空化效应最强，更利于污染物降解。

实施例3

本实施例中，反应容器6是由圆弧面形的筒底62和筒体61组成，即筒体61与筒底62拼接形成圆筒结构，筒底62为圆弧面形，其圆心角为120°，圆弧半径为8cm，筒体61的高度为24cm，是筒底62半径的3倍。在筒底62与筒体61拼接处的外壁上安装有横向超声换能器组，该横向超声换能器组是由6个横向超声换能器组成，且6个横向超声换能器3两两相对，相对设置的横向超声换能器3的频率相同，但是两个相邻设置的横向超声换能器3的频率不同，即相对设置的一组横向超声换能器3的频率为50KHz，相对设置的第二组横向超声换能器3的频率为75KHz，相对设置的第三组横向超声换能器3的频率为100KHz。在反应容器6的底部设置有纵向超声换能器组，本实施例的纵向超声换能器组是由并列安装的2个频率为150KHz的纵向超声换能器组成，且安装在反应容器6的筒底62外侧，另一端延

需要进一步说明，对于上述实施例1～3中的横向超声换能器组和纵向超声换能器组的频率可以是多种不同频率的超声换能器，只要满足以下条件即可：横向超声换能器组的频率均小于纵向超声换能器组的频率，在同一水平面上，相邻设置的两个横向超声波换能器3的频率不同；沿着纵向分布在不同高度的横向超声波换能器3的频率不同且满足自下而上频率逐步减小。

需要进一步说明，横向超声换能器组的频率可以在25～100KHz范围内调整，纵向超声换能器组的频率为100～200KHz范围内调整。

对于反应容器6的结构而言，筒底62半径是筒体61高度的1/3～2/3，筒底62的圆心角为120～180°，使超声在水平与垂直的不同方向上辐照形成超声波辐照网，通过圆弧面形聚焦进行复合叠加，更利于超声化学反应，并且形成低噪音声场。

选用泡内的压力和温度都均匀分布且内部由气体和蒸汽组成的单泡Keller-Miksis模型对本发明的低噪音多频超声化学反应器内超声空化产生的气泡进行数值分析可知，气体的比热比越大，即γ越大，可根据计算泡内温度和压力的关系式，在超声空化时空化泡崩溃瞬间产生的最高温度越大，产生的崩溃压力越大，从而使得空化的效果越强。本发明利用横向超声换能器纵向超声换能器分别产生横纵向交叉辐射且频率不同的超声波，通过反应容器圆弧面形筒体聚焦复合叠加，形成均匀分布的超声波辐照网，使得反应器内的声场分布更均匀，使得单泡Keller-Miksis模型的环境压力会增加且均匀，从而使得气泡崩溃的最大半径增加，使得气泡在崩溃过程中产生的泡内温度和压强也会增大，起到了增强空化效果的作用。

对本发明的实施例1的声场与单频率超声的声场进行仿真模拟，仿真结果如图4和5所示，图4和5对比可以看出在相同的模型，三种频超声作用下声场强度相比于单频超声作用下声场强度有明显增大，且声场分布更加均匀。由于声场分布均匀可以增强超声作用下的空化效果，所以可以有效提高反应器内发生的声化学效率。

以上实施例只是阐述本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变换和改变，这些变换和改变都落入要求保护的本发明范围之内。

Claims (5)

1.一种低噪音多频超声化学反应器，包括壳体(1)以及设置在壳体(1)上的盖板(2)，其特征在于：所述壳体(1)内设置有至少两种不同频率的超声波发生器、超声波换能器组以及反应容器(6)；超声波换能器组与超声波发生器连接，所述超声波换能器组包括向反应容器(6)径向辐射超声波的横向超声换能器组和沿反应容器(6)轴向辐射超声波的纵向超声换能器组，横向超声换能器组设置在反应容器(6)的周向外壁上，纵向超声换能器组设置在反应容器(6)的底部，横向超声换能器组和纵向超声换能器组分别从反应容器(6)的侧部和底部的不同方向发射出不同频率的超声波在反应容器(6)内形成超声波辐照网；所述盖板(2)上开设有与惰性气体管道(7)连通的惰性气体入口；所述反应容器(6)是由下而上拼接为一体的筒底(62)和筒体(61)组成，所述筒底(62)为圆弧面型，在其侧壁开设有进水口，在筒体(61)的上侧壁上设置有出水口；

所述反应容器(6)的筒底(62)半径是筒体(61)高度的1/3～2/3，筒底(62)的圆心角为120～180°；

所述横向超声换能器组是由至少2个不同频率沿反应容器(6)径向辐射声波的横向超声波换能器(3)组成，在同一水平面上，相邻设置的两个横向超声波换能器(3)的频率不同；沿着纵向分布在不同高度的横向超声波换能器(3)的频率不同且满足自下而上频率逐步减小；

所述纵向超声换能器组是由1个或多个沿着反应容器(6)轴向辐射声波的纵向超声波换能器(4)组成，所述横向超声换能器组的频率均小于纵向超声换能器组的频率。

2.根据权利要求1所述的低噪音多频超声化学反应器，其特征在于：所述盖板(2)与壳体(1)相对的内侧上设置有吸声降噪层(8)。

3.根据权利要求1～2任一项所述的低噪音多频超声化学反应器，其特征在于：所述壳体(1)与反应容器(6)之间还设置有循环水装置(5)。

4.一种通过权利要求1所述的低噪音多频超声化学反应器实现的低噪音多频超声化学废水处理方法，其特征在于包括以下步骤：

在恒温条件下，利用横向超声换能器组与纵向超声换能器组分别产生横纵向交叉辐射且频率不同的超声波，通过反应容器(6)的筒底(62)聚焦复合叠加，形成均匀分布的超声波辐照网，使溶入惰性气体的水体在超声波辐照下空化泡密度增强，污染物加速降解，完成水体的多频超声化学处理。

5.根据权利要求4所述的低噪音多频超声化学废水处理方法，其特征在于：所述横向辐射的超声波频率为25～100KHz，纵向辐射的超声波频率为100～200KHz。

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