李威崢，劉寶，王海波，陳曉慶，李健，李亞仙

超聲波除沫在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

李威崢，劉寶，王海波，陳曉慶，李健，李亞仙

（上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

在工業(yè)廢水處理過(guò)程中，泡沫消除一直是很棘手的問(wèn)題。雖然市面上已有很多物理或化學(xué)的除沫方法，但效果都不是很理想。根據(jù)超聲波的特性設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究了超聲波裝置側(cè)裝和頂裝的除沫效果，并對(duì)超聲波頻率、超聲波與泡沫的距離以及溶液溫度對(duì)泡沫消除速率的影響展開(kāi)了試驗(yàn)研究，得到了良好的效果。

超聲波；廢水處理；除沫

在大部分工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生工業(yè)廢水。國(guó)家“十二五”規(guī)劃明確提出，要深入貫徹節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境基本國(guó)策。污水處理是環(huán)保領(lǐng)域的重要一環(huán)，而工業(yè)廢水的處理則是污水處理中最難處理的部分［1］。工業(yè)廢水的蒸發(fā)濃縮處理工藝常會(huì)用到多效蒸發(fā)，多效蒸發(fā)是將多個(gè)單效蒸發(fā)通過(guò)串聯(lián)的方式得到的一種蒸發(fā)型式。

廢水物料在蒸發(fā)分離處理過(guò)程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的泡沫，一部分泡沫是物料在蒸發(fā)加熱過(guò)程中產(chǎn)生的氣體，由于壓力的變化從液體內(nèi)部溢出產(chǎn)生的，還有一部分泡沫是物料在撞擊罐壁的機(jī)械力作用下產(chǎn)生的［2］。因工藝前端預(yù)處理欠佳或者物料本身含有表面活性劑等原因，導(dǎo)致物料的黏性過(guò)高，起泡能力大或泡沫的穩(wěn)定性高，致使泡沫生長(zhǎng)的速度比破潰的速度更快。過(guò)多的泡沫攜帶濃縮液進(jìn)入蒸汽及冷凝水系統(tǒng)，會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；造成冷凝水污染，導(dǎo)致排放不達(dá)標(biāo)；會(huì)造成動(dòng)靜設(shè)備過(guò)流部件的結(jié)垢、堵塞等一系列問(wèn)題。因此對(duì)除沫方法的研究尤為重要。

1 常用除沫方法

消除泡沫是采取一定措施破碎已形成的泡沫，或降低泡沫層的厚度。常用的消除泡沫方法有很多，主要可分為物理方法和化學(xué)方法。物理方法主要有靜置消泡法、減壓消泡法、升溫消泡法、流體噴射消泡法、機(jī)械攪拌消泡法和超聲波消泡法等；化學(xué)方法主要有添加消泡劑消泡法、添加改變穩(wěn)泡劑穩(wěn)定性的物質(zhì)等。本文將對(duì)常用的幾種除沫方法進(jìn)行介紹。

1.1 熱力除沫法

熱力除沫法是物理方法中升溫消泡法的一種，其除沫的原理是在溫度升高時(shí)把液體從泡膜中蒸發(fā)掉，在泡沫與加熱器接觸下或者蒸汽氣流作用下使泡沫破裂。加熱器的溫度在泡沫破裂區(qū)應(yīng)高于表面活性劑溶液的沸點(diǎn)。熱力除沫作用是液體蒸發(fā)、表面活性劑的溫度和表面張力改變以及液體黏度減小的共同結(jié)果。熱力法除沫有很多的優(yōu)點(diǎn)，特別是不會(huì)導(dǎo)致重復(fù)發(fā)泡，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。但也有缺點(diǎn)，如加熱器中嚴(yán)重結(jié)垢，結(jié)果會(huì)大大降低其消泡效率，且能耗增大。

1.2 除沫器除沫法

除沫器除沫法是物理方法中機(jī)械除沫法的一種，當(dāng)帶有細(xì)小泡沫的氣體上升通過(guò)絲網(wǎng)時(shí)，泡沫與絲網(wǎng)上的細(xì)絲相碰撞從而附著在細(xì)絲表面上。由于細(xì)絲的可潤(rùn)濕性、毛細(xì)管作用以及液體的表面張力，使液滴變得越來(lái)越大，直至聚集的液滴大到其自身的重力大于氣體的上升力與液體表面張力的合力時(shí)，液滴會(huì)從細(xì)絲上脫墜下落。氣體通過(guò)絲網(wǎng)除沫器之后，所含細(xì)小泡沫將大大減少。除沫器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小；除沫效率高；阻力?。恢亓枯p；安裝、操作、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)際使用中，對(duì)細(xì)小泡沫的消除效果不是很好。

1.3 消泡劑除沫法

消泡劑除沫法是化學(xué)方法中的一種，除沫原理主要是向泡沫溶液中添加化學(xué)制劑，改變?nèi)苜|(zhì)起泡的性質(zhì)，降低泡沫的表面張力，破壞膜的彈性，促使液膜排液，達(dá)到除沫的目的。消泡劑有消泡快，抑泡性能好，擴(kuò)散性、滲透性好，無(wú)生理活性，無(wú)腐蝕、無(wú)毒、無(wú)不良副作用、不燃、不爆，安全性高等優(yōu)點(diǎn)。但是對(duì)出料要求高的產(chǎn)品，添加消泡劑會(huì)改變物料成分及性質(zhì)，不適合使用。

1.4 自然除沫法

自然除沫法是物理方法中的一種，主要是利用泡沫間液膜中的液體沿著膜界面滲出，氣泡內(nèi)的氣體向外擴(kuò)散以及一些單個(gè)氣泡的液膜破裂達(dá)到除沫的效果。泡沫破裂的基本過(guò)程是脫水收縮，它主要依賴于重力作用，這一作用使泡沫的液膜逐漸變薄造成泡沫破裂從而實(shí)現(xiàn)除沫。能循環(huán)利用又可節(jié)約成本，除沫時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于起泡速度較快的環(huán)境不適用。

2 超聲波除沫

超聲波除沫法是物理方法的一種。超聲波是一種頻率高于20 000 Hz的聲波，具有波長(zhǎng)短，傳播方向性好等優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)上采用的超聲波除沫法的原理在于利用高頻聲振動(dòng)的破壞特性促使泡沫破滅。在超聲波眾多特性中，有幾點(diǎn)對(duì)于泡沫的消除工作具有積極作用，本文將進(jìn)行逐一介紹。

2.1 較大能量

超聲波有著很大的功率，可以產(chǎn)生較大的能量。當(dāng)超聲波到達(dá)某一物質(zhì)表面時(shí)，在聲波的作用下，泡沫中物質(zhì)的分子也會(huì)隨聲波的振動(dòng)而振動(dòng)。分子的振動(dòng)頻率決定了分子的振動(dòng)速度，當(dāng)頻率越高時(shí)，速度也就越快。物質(zhì)分子通過(guò)振動(dòng)獲得的能量，不僅與分子質(zhì)量有關(guān)系，也與分子振動(dòng)速度的平方有關(guān)系。所以當(dāng)超聲波的頻率越高，分子振動(dòng)速度越快時(shí)，分子獲得的能量也就越高。超聲波產(chǎn)生的機(jī)械能量會(huì)使物質(zhì)的分子得到很大的加速度。把超聲波作用在帶有泡沫的液體中，機(jī)械能量使液體分子產(chǎn)生的加速度，可能會(huì)比重力加速度大幾十萬(wàn)倍，甚至更大。巨大的加速度，能使液體分子產(chǎn)生比較高速的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使泡沫破裂［3］。

2.2 聲壓作用

超聲波具有很大的能量, 會(huì)使泡沫產(chǎn)生很大的聲壓作用。當(dāng)聲波到達(dá)泡沫時(shí)，超聲波的高頻振動(dòng)，會(huì)使泡沫的物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮或者稀疏的作用，此時(shí)泡沫所承受的壓力會(huì)發(fā)生改變。介于超聲波具有很大的能量，就會(huì)使泡沫產(chǎn)生很大的聲壓作用。泡沫在沒(méi)有受到超聲波聲壓作用之前，只受到大氣壓力的作用，當(dāng)超聲波到達(dá)泡沫上后，如果超聲波的振動(dòng)使泡沫分子產(chǎn)生壓縮作用，則泡沫所受的壓力增大，壓力促使泡沫破裂；如果超聲波的振動(dòng)使泡沫分子產(chǎn)生稀疏作用，則泡沫所受的壓力小于大氣壓力，使泡沫膨脹后破裂［4］。

2.3 空化效應(yīng)

超聲波起到的聲壓作用，可產(chǎn)生空化效應(yīng)。超聲波是一種機(jī)械縱波，通過(guò)介質(zhì)進(jìn)行傳播，而它在介質(zhì)中傳播的過(guò)程中存在一個(gè)正負(fù)壓強(qiáng)的交變周期。液體內(nèi)局部壓力降低時(shí)，液體內(nèi)部蒸氣或氣體形成空穴，又稱為空化氣泡?？栈瘹馀菰诔暡v向傳播形成的負(fù)壓區(qū)域內(nèi)生長(zhǎng)，而后在正壓區(qū)域內(nèi)迅速閉合，在交替的正負(fù)壓強(qiáng)下不斷受到壓縮和拉伸的交互作用，最終導(dǎo)致氣泡崩潰破碎。在液體中存在的微氣核空化泡在聲波的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)發(fā)生的生長(zhǎng)、閉合最終崩潰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程就是空化效應(yīng)［5］。

3 超聲波除沫效果的試驗(yàn)研究

根據(jù)超聲波的特性，設(shè)計(jì)了一系列試驗(yàn)，對(duì)超聲波除沫的效果進(jìn)行了研究。試驗(yàn)用兩個(gè)不銹鋼桶模擬分離器作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備；高泡洗衣粉模擬起泡劑作為溶質(zhì)使溶液起泡，創(chuàng)造消泡環(huán)境；超聲裝置，提供實(shí)驗(yàn)所需超聲波。分別對(duì)側(cè)裝和頂裝兩種方式的除沫效果，以及超聲裝置的頻率、安裝距離以及溶液的溫度對(duì)除沫效果的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與自然消泡效果進(jìn)行了對(duì)照，均得到了顯著的效果。

3.1 超聲波側(cè)裝除沫試驗(yàn)

側(cè)裝試驗(yàn)是將超聲波裝置固定在試驗(yàn)裝置側(cè)面進(jìn)行除沫的試驗(yàn)。取甲、乙兩個(gè)相同的不銹鋼桶，注入等量自來(lái)水，再加入等量高泡洗衣粉，使洗衣粉充分溶解，攪拌出幾乎等量的等液位泡沫，甲桶采用自然消除泡沫，乙桶采用超聲波消除泡沫，每半小時(shí)記錄兩桶的泡沫液位，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1 側(cè)裝示意圖

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出圖像如圖2，3條虛線表示自然除沫的圖像，3條實(shí)線表示超聲波除沫的圖像，從圖像中可以看出，超聲波除沫的速率短時(shí)間內(nèi)明顯快于自然除沫的速率，超聲波在除沫上的應(yīng)用必然會(huì)有顯著的效果。

圖2 自然除沫與超聲波除沫對(duì)比圖

3.2 超聲波頂裝除沫試驗(yàn)

頂裝試驗(yàn)是將超聲波裝置固定在試驗(yàn)裝置上方進(jìn)行除沫的試驗(yàn)。根據(jù)不同的測(cè)量要求，分別對(duì)超聲裝置的頻率、安裝距離以及溶液的溫度對(duì)除沫效果的影響分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)示意圖如圖3所示。

圖3 頂裝示意圖

3.2.1 超聲波頻率對(duì)除沫影響的試驗(yàn)

超聲波是頻率為2×104~5×108Hz范圍內(nèi)的聲波，本次試驗(yàn)取20~40 kHz的頻率作為研究范圍。

取甲、乙兩個(gè)不銹鋼桶，注入等量自來(lái)水，再加入等量高泡洗衣粉，使洗衣粉充分溶解，攪拌出幾乎等量的等液位泡沫。同一水溫，甲桶超聲波發(fā)生器距離相同，將超聲波頻率在20~40 kHz之間選定頻率跟蹤范圍±4 kHz，研究不同頻率超聲波下的除沫速率，乙桶作為對(duì)照組采用自然除沫法除沫，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出圖像如圖4，從圖像中可以看出，超聲波頻率在24 kHz以上都可以達(dá)到滿意的效果，但再增大頻率雖然可以縮短除沫時(shí)間，縮短的并不明顯，出于節(jié)能考慮，超聲波頻率設(shè)置在24 kHz最為合適。

圖4 不同頻率超聲波除沫試驗(yàn)對(duì)比圖

3.2.2 超聲波與泡沫的距離對(duì)除沫影響的試驗(yàn)

本次試驗(yàn)取超聲波與泡沫10~50 cm的距離作為研究范圍。同一水溫，甲桶同一超聲波頻率下，超聲波發(fā)生器與泡沫距離在10~50 cm之間選定距離范圍±10 cm，研究超聲波發(fā)生器與泡沫不同距離下的除沫速率，乙桶作為對(duì)照組采用自然除沫法除沫，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出圖像如圖5，從圖像中可以看出，超聲波與泡沫的距離在20 cm以下都有明顯的效果，但再增大距離雖然與自然除沫相比也可以縮短除沫時(shí)間，但由于超聲波的方向性，距離再加大效果與自然除沫效果差別已不大。

圖5 超聲波與泡沫不同距離除沫試驗(yàn)對(duì)比圖

3.2.3 溶液的溫度對(duì)除沫影響的試驗(yàn)

本次試驗(yàn)取溶液的溫度30~100 ℃作為研究范圍。超聲波發(fā)生器距離相同，同一超聲波頻率下，溶液溫度在30~100 ℃之間選定溫度范圍±10 ℃，研究不同溫度下的除沫速率，乙桶作為對(duì)照組采用自然除沫法除沫，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出圖像如圖6，從圖像中可以看出，隨著溶液溫度的增加，泡沫消除的效率更快，但差別并不是很大。

圖6 不同溶液溫度除沫試驗(yàn)對(duì)比圖

4 結(jié) 論

超聲波除沫法作為一種物理方法，與化學(xué)方法相比較，能明顯降低消泡成本，不影響產(chǎn)品的質(zhì)量；與同為物理方法的機(jī)械除沫法相比較，設(shè)備體積更小，功率消耗更少，消泡效率更高。

通過(guò)上述一系列的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲波裝置側(cè)裝時(shí)的除沫效果要比頂裝的除沫效果更好一些。將超聲波頻率設(shè)置在24 kHz時(shí)除沫效果最為合適，超聲波與泡沫的距離在20 cm以下都有明顯的效果，溶液溫度的增加雖可以加快除沫速率，但差別并不明顯。

［1］楊武，王麗娟，劉寶. MVR污水處理裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 甘肅科技，2017（15）：42-43.

［2］王珣，陳曉慶，劉海祿，等. 多效蒸發(fā)裝置中的起泡與消泡[J]. 石油化工設(shè)備，2016（3）：45-46 .

［3］孫來(lái)九，呂文舫. 超聲波消除泡沫的研究[J]. 化學(xué)工程，1995（10）23-25.

［4］曲正新. 原油泡沫的危害和消除方法[J]. 當(dāng)代化工，2015（5）: 44-45.

［5］曾宇，張慶文，劉永壘，等. 工業(yè)發(fā)酵中泡沫控制方法探討[J]. 中國(guó)釀造, 2011 (9)：234.

Application of Ultrasonic Defoaming in Industrial Wastewater Treatment

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（Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co., Ltd., Shanghai 201518, China）

In the course of industrial wastewater treatment, the removal of the bubble has been a very difficult question.Although many physical or chemical methods of defoaming are available,they didn't work out so well.In this paper, according to the ultrasonic characteristics,a test was designed,the defoaming effect of the side and top mounting of the ultrasonic device was studied. The effect of ultrasonic frequency, the distance between ultrasonic wave and foam, and solution temperature on foam removal rate was studied, and good results were achieved.

Ultrasonic wave; Sewage treatment; Defoaming

上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司研發(fā)項(xiàng)目：工業(yè)廢水沸騰分離過(guò)程中泡沫消除裝置的研發(fā)（項(xiàng)目編號(hào)：17BCJ001）。

2020-11-23

李威崢（1992-），女，工程師，黑龍江省大慶市人，2014年畢業(yè)于東北石油大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：電氣設(shè)計(jì)。

X703

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1004-0935（2021）04-0493-04