一种水处理声反应器的频率效应研究装置

摘要

本发明公开了一种水处理声反应器的频率效应研究装置，包括将超声波信号发生器连接到声反应器，声反应器包括容器和其中的有机废水，在容器的下底部固定换能器，信号发生器的输出连接功率放大器，功率放大器与数字示波器并联后连接到换能器的输入；在容器的两侧分别开有冷却水进口和冷却水出口，在容器的上部向下插有温度计于有机废水中；本发明可根据超声水处理的参数要求，在相同声功率条件下研究频率对降解效果的影响，通过采用曲线拟合的方式对实验数据处理后，可完整地得出降解不同废水所对应的超声频率的关系谱图，频带足够宽并可调、装卸简易、操作方便，能更好地提高研究效率。

说明书

技术领域

本发明属于声化学及环保领域的科研开发设备，特指以声空化效应为原动力、在严格声学、电学条件下以研究超声水处理的降解效果与超声频率之间关系的频率效应研究装置。

背景技术

水资源是维系人类生存和发展的重要资源之一。近年来，随着经济社会发展过程中工业化程度的提高，各类工业废水被大量排放到自然界中，给人类的生存环境和健康带来了严重威胁。尤其是含苯酚、对硝基苯酚等不易降解的酚类有机物废水被人体吸收后容易产生“致癌、致畸形、致基因突变”的“三致”危害，是严重威胁人类健康的杀手。超声水处理技术是近年来发展起来的一项新型水处理技术，它利用功率超声作用液体媒质时产生的空化效应来降解水中的有机污染物。该技术集高级氧化、热解、超临界氧化等技术于一体，操作简单方便，降解速度快，可单独使用或与其他水处理技术联合使用，具有极大潜力和良好应用前景。

超声水处理是一项涉及声学、化学、电学等多学科交叉融合的新技术。由于从事该项研究工作的大多是化工、环境领域的专家学者，所以对溶液的pH值、初始浓度、反应温度等化学参数对降解效果的影响机理已进行了深入地研究，但对超声频率、声功率/声强以及声化学反应器中的声场分布等声学参数缺乏足够的研究。大量的实验结论表明，超声频率是影响超声水处理降解效果的重要参数之一。超声波的频率范围为20kHz-1000MHz，而通常用于水处理的超声频率为20kHz-2MHz。超声波在低频时，空化泡少但直径大，空化泡有明显的生长、崩溃过程，空化核在稀疏阶段达到共振半径时首先强烈振荡，而后瞬间发生塌缩崩溃，因而爆破更加猛烈；在高频时，空化泡的形成和崩溃变得更快，产生的自由基更容易进入液相主体中，但声学周期短，空化泡直径小，空化极限大但强度弱。因此对于以热解为主的声解反应，当声强大于空化阈值时，随着频率的增大，声周期缩短，空化泡数目增多，声解效率提高；而对于以自由基氧化为主的降解反应，当超声频率较高时，则空化泡粒径小，空化强度减弱，声解效率反而降低。因此，对含不同有机物的有机溶液其对应的最佳超声降解频率也不同。正是基于以上原因，声化学反应中的“频率效应”研究受到了越来越多学者的重视。

所谓“频率效应”是指在保证声功率、声强等声场参数相同的条件下，仅因频率不同的超声波对声化学产额的影响。目前国内外学者在进行超声水处理技术的研究过程中，主要用频率固定或频带很窄的超声源针对模拟的污染水体进行降解作用，虽然能得到该水体在很窄频带内降解效果的频率效应或少量固定频率对该水体降解效果的时间效应，但这些有限的数据对研究超声处理废水的物理机理是远远不够的。一般来说，超声辐照在处理不同物质的废水过程中存在使空化效应最强的一个或多个频率或频段。频率因素是影响超声水处理效果的重要因素，与影响处理效果的其他因素相比，也是目前研究最不充分的因素。

目前，涉及利用超声进行水处理的方法和装置已公开的专利申请有：1、申请号为200410004355.4，名称为：“超声波强化污水生物处理方法”。2、申请号为200320126506.4，名称为：“超声波水处理系统”。3、申请号为200610046997.X，名称为：“一种高效原油脱水处理系统及脱水处理方法”。这三种专利申请都是利用超声单独和超声联合其他技术进行水处理的方法或装置，但作为研究和开发这些方法或装置的重要基础设备，即频率效应研究装置尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种水处理声反应器的频率效应研究装置，可帮助这一领域中研究者提高研究效率，加快推广应用这一新技术的步伐。

本发明采用的技术方案是：将超声波信号发生器连接到声反应器，声反应器包括容器和其中的有机废水，在容器的下底部固定换能器，信号发生器的输出连接功率放大器，功率放大器与数字示波器并联后连接到换能器的输入端。

在容器的两侧分别开有冷却水进口和冷却水出口，在容器的上部向下插有温度计于有机废水中。

本发明将超声波信号发生器产生的超声能量输送到声反应器的有机废水中，可根据超声水处理的参数要求，在声功率、声强等声场参数相同的条件下，研究频率对降解效果的影响，通过采用曲线拟合的方式对实验数据处理后，可完整地得出降解不同废水所对应的超声频率的关系谱图，频带足够宽并可调、装卸简易、操作方便，能更好地提高研究效率。

本发明的优点为：

(1)可在200kHz-1.5MHz的频率范围内进行10个采样点(200、300、350、400、500、600、800kHz和1、1.2、1.5MHz)的频率效应研究，具有采样点多，频带宽的特点。

(2)对所取有机废水利用紫外分光光度计进行检测，能通过样品吸光度的变化得出溶液浓度的变化，通过利用先进的数据处理软件得出溶液的浓度变化规律。

(3)严格了声学和电学条件，便于开展超声水处理技术的研究人员在进行频率效应研究中进行重复实验，提高了实验数据的准确性。

(4)由压电陶瓷片换能器制成的声化学反应器具有结构简单，制作方便，便于拆卸与更换等特点，能大大降低实验过程中由换能器老化带来的更换成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的结构连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要包括超声波信号发生器1和所连接的声反应器两部分，声反应器又包括容器9和其中的有机废水6。在容器9的下底部固定换能器8，信号发生器1的输出连接高频宽带功率放大器2，功率放大器2与数字示波器3并联后连接到换能器8的输入。在容器9的两侧分别开有冷却水进口4和冷却水出口7，在容器9的上部向下插有数字温度计5于有机废水6中。

下表所示是本发明所选用的各器件的主要参数：

 器件或装置  主要参数要求 信号发生器1  频率范围10mHz-15MHz，幅值可调 高频宽带功率放大器2  工作频率为0.02-6MHz，50欧姆负载时最高输出功率  603W 不同谐振频率的系列换能器8  反应器为圆柱形，内径50mm，内置样品有效容积为  80ml

上表中的功率放大器2需具备工作频率高、频带宽且可调、带负载能力强、工作过程中能显示输入功率(FP)、负载功率(LP)和反射功率(RP)。换能器8均由压电陶瓷片自制而成。在自制的过程中需保证以下条件：1、用来制作反应器的不同频率的圆柱形压电陶瓷片除厚度不同以外，截面直径完全相同，且均源自加工定型中的同一批次的产品。2、在将压电陶瓷片制作成反应器时，保证反应器的外型参数完全一致。3、利用反应器进行实验研究前需重新测定反应器的谐振频率。

本发明工作时根据每个声化学反应器的谐振频率设定信号发生器1的输出信号频率和幅值，将信号发生器1输出的信号输入到高频宽带功率放大器2中，通过调节功放的输出功率驱动由压电陶瓷片制成的声化学反应器进行有机废水6的降解。在此过程中，通过数字示波器3观测换能器8两端的波形情况，其中循环冷却水和数字温度计5起到调节和监控反应溶液温度的作用。

为保证本发明所得数据的正确性和稳定性，更应作到：1、由于换能器8的压电陶瓷片在使用一段时间后会出现老化现象，从而导致声化学反应器的谐振频率会出现漂移，这一点可通过数字示波器3所显示的电压波形看出来，若出现这种现象需及时更换换能器8并重新进行调谐；2、为保证样品浓度数据的准确性，取样前要在反应器中搅匀有机废水溶液，并保证每次在反应器的同一空间位置取液，取多次求平均值；3、由于频率效应还与换能器8两端的波形有关，还需通过示波器3实时观测换能器8两端的波形，保证每个频率点的波形在放大过程中相同且不失真。