邢立艷 蒲俊文 徐 明，2 呂銘偉

(1北京林業(yè)大學(xué) 林木生物質(zhì)化學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083 2北京中科奧倍工程科學(xué)研究院,北京市朝陽區(qū)，100000)

1 超聲波的理化性質(zhì)

聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）在傳導(dǎo)介質(zhì)中傳播的形式。超聲波是指頻率在20 kHz以上的聲波，即質(zhì)點(diǎn)每秒振動(dòng)次數(shù)大于2萬次，超出一般人耳聽覺頻率上限（16 kHz）。超聲波在液體中傳播時(shí)，與傳播媒介的相互作用主要表現(xiàn)為：機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和空化效應(yīng)。

超聲波作用于傳導(dǎo)介質(zhì)時(shí)，會(huì)引起質(zhì)點(diǎn)高速振動(dòng)，產(chǎn)生速度、加速度、聲壓、聲強(qiáng)等力學(xué)量的變化。當(dāng)超聲波在不均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，各層介質(zhì)物理性質(zhì)不同，造成了層與層之間振動(dòng)速度的不同，從而產(chǎn)生層間壓力的變化，引起超聲機(jī)械效應(yīng)。

超聲熱效應(yīng)是指超聲波在傳導(dǎo)介質(zhì)中傳播時(shí)引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，由于傳播介質(zhì)中存在著內(nèi)部摩擦現(xiàn)象，部分聲波能量會(huì)被周圍介質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化為熱能從而引起介質(zhì)的溫度升高的效應(yīng)，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的過程。超聲波在穿透兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí)，溫度的升高值更大。

空化效應(yīng)是聲化學(xué)反應(yīng)的主要作用之一。在這個(gè)過程中，當(dāng)超聲波振幅足夠大時(shí)，在負(fù)壓區(qū)介質(zhì)分子間的平均距離會(huì)超過液體分子的臨界距離，液體介質(zhì)發(fā)生斷裂形成微泡，微泡繼續(xù)膨脹成為空化氣泡。當(dāng)空化氣泡振動(dòng)超出共振相位時(shí)，空化氣泡不再穩(wěn)定，急劇潰陷，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生5000 K左右的高溫以及1800 atm左右的高壓等極端物理?xiàng)l件，該條件強(qiáng)化了傳質(zhì)和傳熱的過程，提高了反應(yīng)物分子的活性。同時(shí)，該效應(yīng)在液體中形成了無數(shù)微小的、具有極端物化環(huán)境的化學(xué)反應(yīng)器，這有利于化學(xué)鍵的斷裂、自由基的產(chǎn)生及相關(guān)反應(yīng)。總之，超聲空化效應(yīng)聚集聲場(chǎng)能量并瞬間釋放的一個(gè)極其復(fù)雜的物理過程[1]。

近年來超聲波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于化學(xué) （如分析化學(xué)、物理化學(xué)、聚合物化學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等）、醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)、工業(yè)焊接、廢水處理和材料改性等方面。大量的文獻(xiàn)報(bào)道和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲波不僅可以改善反應(yīng)條件，加快反應(yīng)速度和提高反應(yīng)產(chǎn)率，還可以使一些難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行，或開啟新的反應(yīng)。

2 超聲波技術(shù)在制漿造紙行業(yè)的應(yīng)用

2.1 超聲波制漿

超聲波制漿過程中以水作為超聲波傳導(dǎo)介質(zhì)，利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)對(duì)纖維原料進(jìn)行沖擊、剝蝕，并基于超聲波的頻率特性對(duì)纖維素、半纖維素和木素成分進(jìn)行選擇性作用，使纖維分離開來，從而完成制漿過程。

物質(zhì)對(duì)超聲波的響應(yīng)特性主要取決于物質(zhì)的幾何尺寸、密度、結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)，纖維素、半纖維素與木素對(duì)超聲波作用的響應(yīng)也各不相同。由于非木材原料胞間（ML）層和角隅層（CC）木素濃度高于細(xì)胞壁（S），因此選擇超聲工藝，可在微尺度范圍使胞間層及角隅層中木素集中受到超聲機(jī)械作用，即高強(qiáng)度剪切力的作用和侵蝕。同時(shí)超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的微射流也對(duì)原料的木素組分產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞沖擊作用，加速木素的降解反應(yīng)以及木素與纖維素結(jié)合鍵的斷裂。伴隨著部分木素小分子的溶出，原料細(xì)胞間先出現(xiàn)侵蝕裂紋，隨后沿纖維縱向分裂，最終纖維細(xì)胞互相分離而形成紙漿。

超聲波制漿反應(yīng)過程中，空化效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一系列活性自由基，主要為羥基自由基（HO·），它是一種單電子氧化劑，其氧化性僅次于F2，具有很強(qiáng)的親電性，能迅速與各種有機(jī)物和無機(jī)物反應(yīng)，可以使木素結(jié)構(gòu)單元的芳環(huán)發(fā)生氧化斷裂反應(yīng)，從而除去發(fā)色基團(tuán)，完成漂白脫色作用。在輔助脫木素的同時(shí)也起到了綠色環(huán)保漂白劑的作用，而不會(huì)產(chǎn)生任何可吸附有機(jī)鹵化物（AOX）、二噁英等持久性有毒有害污染物。

Levente Csoka,Attila Lorincz等[2]人利用超聲波與惰性氣體結(jié)合處理堿性蒽醌法紙漿，可以使紙漿中的殘留木素降低75%，抄紙的強(qiáng)度也提高了65%。

河南安陽華森紙業(yè)有限責(zé)任公司依靠自主創(chuàng)新研發(fā)的“超聲波制漿技術(shù)”，充分利用超聲波的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)麥草進(jìn)行處理，生產(chǎn)的麥草漿與傳統(tǒng)制漿方法生產(chǎn)的麥草漿相比，具有得率較高，光學(xué)、物理強(qiáng)度性能良好的特點(diǎn)。該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于制漿與漂白同步進(jìn)行，工藝流程簡單，投資及運(yùn)行成本低，用水量少，節(jié)能減排，從源頭上消減了污染負(fù)荷[3]。

2.2 超聲波廢紙脫墨

超聲波的空化作用以及由此產(chǎn)生的乳化、分散以及滲透作用，使其在廢紙脫墨工業(yè)中得到一定的應(yīng)用。超聲波乳化作用能降低水與油墨之間的界面張力，削弱了油墨與纖維之間的結(jié)合，并且超聲波處理可使油墨粒子自行碎解，再通過漂洗可達(dá)到脫墨效果，使油墨易于從纖維上分離。另外據(jù)研究表明：纖維在超聲處理后保水值增大，增加了纖維的細(xì)纖維化、柔韌性及可塑性，并且由于空化作用，使氫鍵暴露出來并且重新結(jié)合，使纖維間結(jié)合力增強(qiáng)，從而保證了脫墨漿成紙后的強(qiáng)度[4]。

張婷，金小娟等[5]人研究了超聲波廢紙脫墨的工作原理、特點(diǎn)及影響因素，表明超聲波應(yīng)用于脫墨技術(shù)有很廣闊的前景，但由于當(dāng)前缺乏適于工業(yè)化規(guī)模的有效設(shè)備，此技術(shù)還多局限于實(shí)驗(yàn)室。

Anne C.Gaquere-Parker,Ayan Ahmed 等[6]人研究了溫度對(duì)超聲波廢紙脫墨的影響，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明在15～45℃溫度范圍內(nèi)，紙張的亮度有所改善，并且在35℃時(shí)達(dá)到最佳效果。并且從紫外光譜可以看出，墨的化學(xué)結(jié)構(gòu)從紙上解吸時(shí)發(fā)生了改變，但是不吸附在紙上的墨卻不會(huì)發(fā)生這樣的改變，這也再一次說明超聲波只對(duì)吸附在紙張上的墨水才有釋放作用。

2.3 超聲波打漿或紙漿處理

研究發(fā)現(xiàn)，用超聲波可產(chǎn)生與機(jī)械打漿、精漿相似的效果，可對(duì)纖維細(xì)胞壁產(chǎn)生位移、變形以及細(xì)纖維化等作用。這主要是由于超聲波空化產(chǎn)生的微射流對(duì)纖維的沖擊、剪切作用，使纖維細(xì)胞壁出現(xiàn)裂紋、發(fā)生位移和變形，初生壁和次生壁外層破裂脫除，次生壁中層暴露出來，或使纖維產(chǎn)生細(xì)纖維化。經(jīng)超聲波處理后，纖維的保水值增大，纖維的可及度和反應(yīng)性能顯著提高。對(duì)于含有較多果膠質(zhì)的纖維，利用超聲波進(jìn)行預(yù)處理可以達(dá)到很好的脫膠效果。研究還發(fā)現(xiàn)，超聲對(duì)纖維表面有刻蝕作用，纖維比表面增大，大大增加了纖維的層間結(jié)合能力[7]。

利用超聲波處理麥草漿，測(cè)試了成漿的打漿度及酸不溶木素含量。將超聲波處理后的漿料及對(duì)照漿料抄片，測(cè)試了手抄片的抗張強(qiáng)度。描述了超聲波輔助改良的堿性制漿方法。結(jié)果顯示，草漿經(jīng)兩段超聲波預(yù)處理，可以使?jié){中殘余木素降低75%以上，草漿的打漿度在20 min內(nèi)可以從12°SR升高到 70 °SR，抗張指數(shù)提高 65%[8]。

2.4 超聲波廢水處理技術(shù)

國內(nèi)外研究表明，利用超聲波處理各種含氯廢水、有機(jī)廢水，都能達(dá)到很好的效果。超聲波廢水處理過程中，空化作用產(chǎn)生的局部高溫、高壓一方面可以對(duì)水中污染物直接產(chǎn)生熱降解作用。另一方面在產(chǎn)生的羥基自由基可在空化氣泡周圍界面或在氣泡界面區(qū)重新組合，也可與氣泡中揮發(fā)性溶質(zhì)反應(yīng)，甚至在溶液中與可溶性溶質(zhì)反應(yīng)，從而使常規(guī)條件下難處理的污染物得到降解。

2.4.1 制漿黑液的超聲波降粘技術(shù)

黑液具有膠體的特性[9-10]，黑液中的木素大分子間及大分子內(nèi)部極易通過氫鍵形成內(nèi)核緊密、表面松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致分子間磨擦力上升，黑液的粘度增加。當(dāng)對(duì)黑液施加一定頻率和聲強(qiáng)的超聲輻射，利用空化泡崩裂時(shí)產(chǎn)生的高強(qiáng)流體剪切力破壞網(wǎng)狀物內(nèi)核，使絮聚團(tuán)完全分散，并且超聲輻射使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)絮聚物發(fā)生“液相燃燒”，拆散高分子間的鏈結(jié)，大大降低黑夜的粘滯力，從而達(dá)到降粘的目的[11]。

2.4.2 超聲波處理中段廢水

John H.Gibson，Darrell Hai Nien Yong 等[12]人對(duì)超聲波在污水消毒方面的應(yīng)用進(jìn)行了探討，認(rèn)為使用超聲波可以有效減小懸浮顆粒的尺寸。超聲波作用于超聲波介質(zhì)中，在空化泡破裂時(shí)，產(chǎn)生巨大的機(jī)械力，可以將懸浮顆粒破碎成小的碎片。胡蘭蘭，王三反等[13]人研究了超聲波及其聯(lián)用技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用。探討了超聲波處理污水的機(jī)理以及影響其處理效果的因素，另外對(duì)超聲波與臭氧、H2O2等方法聯(lián)合使用的效果進(jìn)行討論，表明超聲波可以有效地降解化學(xué)污染物，是一種環(huán)境友好處理技術(shù)，在廢水處理中有良好的應(yīng)用前景。

莫立煥[14]利用超聲波和Fenton試劑對(duì)某廠生化處理后的竹漿中段廢水進(jìn)行處理，結(jié)果表明，超聲波-Fenton試劑聯(lián)合處理的效果比兩者單獨(dú)處理效果之和還要好，超聲波頻率為28 kHz時(shí)的處理效果優(yōu)于超聲波頻率為15 kHz時(shí)的處理效果;廢水初始pH值為 3,Fe2+濃度為 60 mg/L，H2O2濃度為 2 mg/L，超聲時(shí)間7 min，中段廢水的脫色率為87.5%，色度指標(biāo)明顯低于國家工業(yè)廢水一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn);超聲波功率在200～1000 W范圍內(nèi)增大，有利于提高處理后中段廢水的脫色率和CODCr去除率。

2.5 超聲波清洗技術(shù)

超聲波清洗具有清洗凈度高、速度快和清洗均勻等特點(diǎn)。在精密零部件的清洗過程中,由于被清洗件為精密部件,要求既能夠均勻的清洗掉塵?；蝾w粒附著物、機(jī)油、水點(diǎn)等污物又不能對(duì)被清洗工件產(chǎn)生損傷，超聲波清洗成為能滿足其特殊技術(shù)的最佳的清洗方式[15]。

化學(xué)法制漿黑液堿回收蒸發(fā)過程中，黑液中含有的鈣、鎂、鋁、鐵、皂化物等鹽類雜質(zhì)，容易沉淀在蒸發(fā)器管壁上形成管垢。通過超聲波作用，可以縮短溶液中晶體的成核誘導(dǎo)期，加速晶核的生長速度，迅速生成大量的微晶懸浮于溶液主體中，降低晶粒長大速度，減少成垢晶體的沉積量及降低沉積速度，預(yù)結(jié)晶的晶粒大量存在于溶液中，隨液流流走，起到防垢的作用。同時(shí)，超聲空化與機(jī)械作用使已沉積在管壁上的積垢溶解脫落，使超聲波防、除積垢裝置既能防止積垢形成，又能破壞已形成的積垢[16]。

H.M.Kyllonen,P.Pirkonen,M.NystrOm等[17]人研究了超聲波對(duì)膜過濾的增強(qiáng)作用。結(jié)垢是膜過濾的主要問題之一，利用超聲波的誘導(dǎo)效應(yīng)，破壞了膜表面的濃度極化和濾餅層，從而使膜的通量增加；但是超聲波的空化作用，也可能將被污染的膜中的顆粒釋放出來。該論文對(duì)超聲波處理的一些參數(shù)如頻率、功率、進(jìn)料性能、膜特性、交叉流速度、溫度和壓力進(jìn)行討論，并且得出最佳參數(shù)。

2.6 超聲波檢測(cè)

超聲檢測(cè)技術(shù)是一種先進(jìn)的無損檢測(cè)方法。主要是利用超聲波傳播過程中受材料本身或者內(nèi)部缺陷的聲學(xué)性質(zhì)的影響，以非破壞性的方式探測(cè)出試件的表面或者內(nèi)部缺陷（如氣泡、裂紋、密度等）的形狀、大小以及分布情況。

2.6.1 測(cè)定漿料或白水的濃度

超聲波傳播的方向性很好，尤其在液體和固體中傳播時(shí)衰減很小，超聲波遇到雜質(zhì)時(shí)會(huì)受到雜質(zhì)的散射和吸收，碰到媒質(zhì)分界面時(shí)有顯著的反射，利用這些特性，可以通過測(cè)量一定能量超聲波在固體懸浮物的液體中傳播時(shí)的衰減量，間接得到液體中固體懸浮物的含量，由此可以測(cè)定和控制漿料或白水的濃度。

據(jù)此原理生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)、超聲波料位儀等具有反應(yīng)靈敏、測(cè)量精度高、對(duì)人體沒有傷害等優(yōu)點(diǎn)[18]。

2.6.2 測(cè)定紙頁施膠度

當(dāng)干紙頁浸漬于水中時(shí)，纖維空隙內(nèi)及孔隙間的空氣很快被水置換，超聲波可以有效地測(cè)定連續(xù)介質(zhì)中的空隙或夾雜物，因?yàn)榭諝獾穆暱贡人〉枚?，因此超聲波?duì)少量水的空氣很敏感。采用超聲波可以通過紙頁的衰減百分?jǐn)?shù)來測(cè)定紙頁的施膠度[19]。

2.6.3 測(cè)器壁或紙張厚度

超聲波在各種介質(zhì)內(nèi)的傳播速度不同，據(jù)此原理研制的測(cè)厚儀可以用來測(cè)量材料的壁厚。造紙行業(yè)的壓力容器如蒸鍋、烘缸、鍋爐等的安全運(yùn)行關(guān)系到企業(yè)的正常安全生產(chǎn)。超聲波測(cè)厚儀可以檢查材料中是否有氣泡、裂紋、或者材料壁厚是否已經(jīng)降低到安全允許值以下[20]。

楊幸芳，徐宏偉等[21]人設(shè)計(jì)了基于超聲波的空雙張?jiān)诰€檢測(cè)系統(tǒng)，通過利用超聲波檢測(cè)紙張厚度的方法，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)不能定量檢測(cè)的缺點(diǎn)，且在檢測(cè)不同厚度紙張時(shí)，無需復(fù)雜的機(jī)械調(diào)節(jié)，只需在程序中改變參數(shù)；實(shí)現(xiàn)了印刷控制中高精度檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化。在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，提高了現(xiàn)代膠印機(jī)的工作性能及可靠性。

2.6.4 測(cè)量紙和紙板的抗張挺度

在一種材料中，超聲波脈沖的傳播速度依賴于該材料的彈性性質(zhì)，一種材料的抗張挺度指數(shù)與該材料中超聲波脈沖傳播速度的平方成正比。脈沖發(fā)生器發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，通過紙張送到對(duì)面的接收器，通過傳感器和接收器之間的距離以及傳播時(shí)間就可以知道超聲波在該材料中的傳播速度，進(jìn)而得到材料的抗張強(qiáng)度指數(shù)。[22]利用超聲波直接測(cè)定紙品的抗張挺度取向 (TSO)及縱橫向的抗張挺度(TSI)，其檢測(cè)過程無創(chuàng)傷、快速，測(cè)定結(jié)果直接、準(zhǔn)確，是應(yīng)用日益廣泛的一種新型檢測(cè)技術(shù)。

2.6.5 檢測(cè)紙頁挺括性

紙頁挺括性是紙頁的一個(gè)重要的彈性強(qiáng)度指標(biāo)，具體體現(xiàn)在紙頁的抗張強(qiáng)度、撕裂度、耐折度及挺度等物理性質(zhì)的縱橫差異。用超聲波測(cè)量不同紙頁的挺括性，可以預(yù)見在生產(chǎn)和使用過程中紙頁質(zhì)量存在的一些問題，并提出改進(jìn)措施。對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量具有現(xiàn)實(shí)意義。鐘波，王順利等人利用超聲波檢測(cè)紙頁的挺括性，分析了紙頁挺括性的特征以及超聲波用于無損檢測(cè)的原理，提出了一種利用超聲波檢測(cè)紙頁挺括性的方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用超聲波檢測(cè)紙頁的挺括性，對(duì)改進(jìn)紙頁的質(zhì)量具有重要的參考價(jià)值[23]。

3 總結(jié)與展望

超聲學(xué)是一門應(yīng)用性和邊緣性很強(qiáng)的學(xué)科，從一百多年來的發(fā)展可以看出，它是隨著在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。顯然，超聲技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，其核心部件是超聲換能器，它對(duì)超聲技術(shù)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。近年來，隨著壓電材料的發(fā)展，功率超聲換能器的功率已經(jīng)有了顯著提高。目前，功率超聲典型的應(yīng)用有超聲清洗、超聲乳化、聚焦超聲、超聲焊接等等。同時(shí)，隨著環(huán)境問題的日益突顯，超聲技術(shù)也正在逐步進(jìn)入環(huán)保行業(yè)如超聲廢水處理、超聲污泥處理等等。

超聲波技術(shù)仍是一門年輕的學(xué)科，它不斷借鑒電子學(xué)、材料科學(xué)、光學(xué)、固體物理等其他學(xué)科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。其中存在著許多尚待深入研究的問題，對(duì)許多超聲應(yīng)用的機(jī)理還未徹底了解，況且實(shí)踐還在不斷地向超聲學(xué)提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都已表明了超聲波技術(shù)是在不斷向前發(fā)展的。

超聲波技術(shù)正在與其他行業(yè)進(jìn)行融合，形成跨學(xué)科、跨行業(yè)的新興技術(shù)。在造紙工業(yè)中，超聲波技術(shù)要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，關(guān)鍵是優(yōu)化超聲反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與合理配置。如何改進(jìn)配置結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高效率，降低成本，是超聲波技術(shù)在制漿造紙工業(yè)的推廣與應(yīng)用中必須要解決的一個(gè)問題。隨著廣大造紙工作者的努力，超聲波技術(shù)在造紙工業(yè)中會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

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