楊思靜， 晉日亞， 喬伊娜， 師淑婷

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院， 山西 太原 030051)

文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力空化降解羅丹明B染料廢水的影響*

楊思靜， 晉日亞， 喬伊娜， 師淑婷

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院， 山西 太原 030051)

為研究文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力空化強度的影響， 設(shè)計了以文丘里管為核心的水處理裝置， 選用8個尺寸不同的文丘里管處理羅丹明B廢水. 研究了文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)、 入口壓力及反應(yīng)時間對空化效果的影響， 結(jié)果表明： 文丘里管空化效應(yīng)優(yōu)劣與其結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān). 隨著入口壓力的增大(0.3～0.5 MPa)、 喉徑比的降低(0.24～0.08)、 喉管長度的增加(25～35 mm)， 不同文丘里管對羅丹明B降解率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢； 隨著反應(yīng)時間的增加(0～60 min)、 擴散段長度的增加(30～90 mm)， 羅丹明B降解率均呈現(xiàn)上升趨勢， 最高可達15.8%.

水力空化； 羅丹明B； 文丘里管； 廢水處理

0 引 言

近年來， 印染廢水對環(huán)境的危害引起了人們的廣泛關(guān)注， 尋求高效節(jié)能、 無害化的處理方式成為研究熱點[1-2]. 水力空化作為一種新型高級氧化技術(shù)(AOP)， 因其簡單便捷、 綠色無二次污染的特點， 在傳統(tǒng)處理方法中脫穎而出[3]. 該技術(shù)克服了傳統(tǒng)方法的弱點： 傳統(tǒng)化學(xué)方法雖然效率高且相對經(jīng)濟， 但是在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生有毒或較為復(fù)雜的副產(chǎn)物(尤其是氯代物)； 傳統(tǒng)物理方法成本較高， 而且基于紫外光的處理方法由于廢水的色度和濁度高會引起阻斷作用， 降低紫外光的活性， 從而影響處理效果[4].

水力空化技術(shù)降解廢水中有機物主要依靠空化過程產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)(產(chǎn)生·OH)[5]和物理效應(yīng)(沖擊波、 壓力降、 剪切力等)[6]. 常用的水力空化裝置為孔板和文丘里管， 二者均能應(yīng)用于水處理領(lǐng)域[4]. 空化裝置產(chǎn)生一系列效應(yīng)主要依賴于空化過程， 具體過程如下： 當(dāng)溶液流經(jīng)空化裝置時， 空化裝置產(chǎn)生的節(jié)流作用使得流速突然增大、 壓力極速降低， 當(dāng)縮流斷面處壓力降低至臨界壓力(局部壓力低于操作溫度下溶液的飽和蒸汽壓)溶液中所含的非溶解性氣核隨著壓力的降低形成大量空泡， 隨著射流膨脹以及管路內(nèi)壓力逐漸恢復(fù)， 空泡被壓縮直至潰滅. 在空泡潰滅瞬間產(chǎn)生高達1 900～5 200 K的溫度及5.065×107Pa的壓力、 形成強烈的沖擊波和高速射流(400 km/h)、 產(chǎn)生強氧化性羥基自由基·OH[7-9]. 利用空化效應(yīng)產(chǎn)生的極端物理環(huán)境和化學(xué)效應(yīng)， 可以降解廢水中有機物.

羅丹明B是一種人工合成的陽離子型染料， 在紡織印染、 激光材料、 實驗染色劑等方面應(yīng)用廣泛， 由于其毒性和強穩(wěn)定性， 常作為難降解有機物的代表來模擬染料廢水進行研究[10]. 羅丹明B分子結(jié)構(gòu)如下：

近年來， 眾多學(xué)者應(yīng)用孔板對羅丹明B的降解進行了研究， 發(fā)現(xiàn)空化對羅丹明B有一定的降解效果， 同時對孔板參數(shù)及其水力特性進行了探究[11-12]； 為提高降解效率， 一些學(xué)者將水力空化技術(shù)與H2O2、 O3等氧化劑結(jié)合， 發(fā)現(xiàn)羅丹明B降解效果顯著提升[13-15]. 另外， 文丘里管作為空化反應(yīng)器的研究主要集中在數(shù)值模擬方面[16-18]， 通過模擬實驗為文丘里管尺寸設(shè)計提供理論依據(jù)， 但對文丘里管產(chǎn)生空化效應(yīng)的實際實驗驗證較少.

因此， 本文配置一定濃度的羅丹明B為目標(biāo)降解物， 設(shè)計了8種尺寸的文丘里管， 分別裝在自行設(shè)計的水處理實驗裝置中， 通過實驗研究文丘里管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對降解效果的影響并考察了反應(yīng)時間對降解效果的影響， 為文丘里管的尺寸設(shè)計提供實驗依據(jù).

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

自行設(shè)計了一套以不同尺寸文丘里管為核心的水處理裝置， 該裝置為封閉循環(huán)系統(tǒng)， 由主管路和旁路組成. 組成部件包括： 離心泵(型號CDLF4-100)、 管件管路、 兩個壓力表、 文丘里管、 流量計、 三個PP-R專用球閥、 水箱(容積為90 L)， 冷凝管. 其中， 文丘里管的入口壓力及流速主要通過閥門控制調(diào)節(jié)旁路流量實現(xiàn)， 從而控制空化強度， 找到降解羅丹明B廢水的最佳條件. 冷凝管放置在水箱中是為了保持反應(yīng)溶液溫度恒定， 減少溫度變化對空化效果的影響. 水力空化裝置結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.

圖 1 水力空化裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Scheme of the hydrodynamic cavitation device

選用文丘里管作為空化裝置， 文丘里管由漸縮段、 喉管與擴散段三部分組成[19]. 文丘里管結(jié)構(gòu)如圖 2 所示：L1為收縮段長度，L2為擴散段長度，l為喉管長度， 喉部直徑為d1， 管路直徑為d2. 由于文丘里管水力特性的差異， 通過文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)變化， 使廢水在通過文丘里管時發(fā)生能量轉(zhuǎn)換. 在漸縮段， 動能不斷增大， 靜壓能不斷減小， 在喉部壓力降到最低， 當(dāng)最低點壓力達到臨界壓力時產(chǎn)生大量空化泡. 當(dāng)攜帶有大量空泡的流體流經(jīng)擴散段時， 壓力逐漸恢復(fù)至正常值， 空泡潰滅， 潰滅瞬間產(chǎn)生巨大能量， 伴隨復(fù)雜的物理化學(xué)效應(yīng).

為研究文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力空化效果的影響， 自行設(shè)計了8種不同尺寸的文丘里管. 具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 所示.

表 1 文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)值

1.2 實驗步驟

1) 稱取一定量的羅丹明B試劑， 溶解于60 L水中， 配置成10 mg/L的羅丹明B溶液. 溶液加入水箱， 并攪拌均勻.

2) 在廢水處理裝置主管路上安裝1號文丘里管， 開啟冷凝裝置保證廢水溫度恒定在40 ℃. 用燒杯取適量水樣， 測出并記錄初始吸光度.

3) 開啟離心泵使廢水在管路中循環(huán)通過文丘里管， 通過旁路閥門調(diào)節(jié)使得管路壓力分別為0.2 MPa,0.3 MPa,0.4 MPa. 在恒定壓力、 恒定溫度下(0.2/0.3/0.4 MPa, 40 ℃)， 每間隔10 min 測一次水樣的吸光度， 共測6次(系統(tǒng)共循環(huán)1 h)， 記錄進口壓力、 循環(huán)時間、 水樣吸光度等數(shù)據(jù).

4) 更換2～8號文丘里管， 重復(fù)上述實驗.

1.3 羅丹明B溶液濃度及降解率計算方法

采用UV-9600紫外可見分光光度計在波長554 nm處測得不同濃度羅丹明B溶液的吸光度， 根據(jù)朗德-比爾定律可知吸光度與濃度成正比， 據(jù)此可繪制羅丹明B標(biāo)準工作曲線(如圖3所示). 對標(biāo)準曲線擬合可得羅丹明B溶液濃度計算式為

(1)

式中：C為羅丹明B溶液的濃度;A為一定濃度羅丹明B溶液對應(yīng)的吸光度值.

羅丹明B的降解率

(2)

式中：C0為反應(yīng)前羅丹明B溶液的濃度;C為反應(yīng)后羅丹明B溶液的濃度;A0為反應(yīng)前羅丹明B溶液的吸光度值; ΔA為反應(yīng)后與反應(yīng)前羅丹明B溶液的吸光度差值.

圖 3 羅丹明B標(biāo)準曲線圖Fig.3 The standard working curve of Rhodamine B

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 喉徑比對羅丹明B降解率的影響

編號為vent.8, vent.7, vent.5, vent.1的4個文丘里管喉徑比β分別為0.24, 0.20, 0.16, 0.08(β(vent.8)>β(vent.7)>β(vent.5)>β(vent.1))， 其他尺寸參數(shù)均相同. 對這4個文丘里管在相同溫度、 不同壓力下降解羅丹明B的實驗結(jié)果進行對比， 可以得出喉徑比對羅丹明B降解率的影響. 實驗結(jié)果如圖 4 所示.

由圖 4 可知， 在相同溫度、 不同壓力實驗條件下， 羅丹明B降解效率均隨著文丘里管喉徑比β的減小(由0.24降至0.08)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢， vent.5號文丘里管空化效果最好， 降解率最高可達到15.8%. 當(dāng)喉徑比β由0.24降低至0.16時， 空化效應(yīng)增強， 羅丹明B降解率提高. 這是由于隨著喉徑比β減小， 流經(jīng)文丘里管的流體流速增大， 喉部壓強降低， 使得空泡膨脹達到的最大半徑增大， 空泡初生-發(fā)育-潰滅的歷程延長、 潰滅時泡壁速度增大， 在空泡劇烈潰滅瞬間會產(chǎn)生較大壓力和大量的·OH[20]. 對于非揮發(fā)性物質(zhì)而言(羅丹明B不可揮發(fā))， 空化產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)主要發(fā)生在空泡表界面[21]， 因此劇烈的空泡潰滅增強了空化效應(yīng)， 促進了羅丹明B的降解反應(yīng)； 但隨著喉徑比β進一步降低至0.08， 空化強度反而降低， 降解率下降. 這是因為喉徑比進一步減小將導(dǎo)致流速過快， 巨大的沖擊射流會阻礙空泡的發(fā)育降低空化效應(yīng). 因此在本實驗條件下， 最佳喉徑比為0.16.

圖 4 文丘里管喉徑比對羅丹明B降解率的影響Fig.4 Effect of venturi throat to pipe diameter ratio on the degradation rate of Rhodamine B

2.2 喉管長度對羅丹明B降解率的影響

編號為vent.2, vent.5, vent.6的文丘里管喉段長度分別為25 mm, 30 mm, 35 mm(l(vent.2)

由圖 5 可知， 在相同溫度、 不同壓力條件下， 隨著文丘里管喉管長度不斷增大(由25 mm增加至35 mm)， 羅丹明B降解率先升高后降低， 即喉管長度條件存在最佳值30 mm. 羅丹明B降解率出現(xiàn)先升高后降低的趨勢可能的原因如下： ① 當(dāng)喉管長度過小時， 空泡來不及生長潰滅就被帶走， 空泡最大成長率(Rmax/R0)減小、 潰滅壓力減弱[22]， 從而使空化效果減弱， 羅丹明B降解率減??； ② 當(dāng)喉管長度過大時， 空泡受到液體粘性力長時間作用， 其壽命變短， 使空化效果減弱； ③ 喉管長度過大使射流區(qū)擴大， 與文丘里管壁形成強烈擾動， 影響空化效果.

圖 5 文丘里管喉管長度對羅丹明B降解率的影響Fig.5 Effect of venturi tube throat length on the degradation rate of Rhodamine B

2.3 擴散段長度對羅丹明B降解率的影響

編號為vent.3, vent.4, vent.5的文丘里管擴散段段長度分別為30 mm, 60 mm, 90 mm(l(vent.3)

圖 6 文丘里管擴散段長度對羅丹明B降解率的影響Fig.6 Effect of venturi tube diffusion length on the degradation rate of Rhodamine B

由圖 6 可知， 在不同壓力、 相同溫度實驗條件下， 羅丹明B降解率均隨文丘里管擴散段長度由30 mm增加至90 mm而升高， 即在各個壓力下， 擴散段長度為90 mm的vent.5均對羅丹明B降解效率最高. 分析其原因， 空泡在喉部形成后， 隨流體進入擴散段后開始生長、 發(fā)育、 潰滅， 隨著擴散段長度增加， 一方面使得壓力恢復(fù)速率降低， 空泡因此得以充分生長和擴散， 使得空化區(qū)域增大， 從而擴大與羅丹明B的接觸面積， 提高降解率.

2.4 壓力對羅丹明B降解率的影響

由圖 4～圖 6 綜合分析可看出不同文丘里管在相同實驗條件下， 均在0.4 MPa壓力條件下降解率達到最高. 究其原因， 可能是由于： 當(dāng)入口壓力由0.3 MPa增加到0.4 MPa時， 一方面， 喉部的壓力進一步降低， 空化更容易形成， 空化強度增強； 另一方面， 空化泡的初始半徑隨之減小， 增加了空化泡的存在時間， 增大了空化泡的潰滅壓力. 但是， 隨著壓力增加至0.5 MPa， 漸擴段反饋回喉部的壓力不斷增大， 使得形成空化的難度增加， 空化泡潰滅壓力減小， 空化效應(yīng)減弱. 因此， 隨著壓力由0.3 MPa增加至0.5 MPa， 羅丹明B的降解率先增高后降低， 降解反應(yīng)最佳壓力為0.4 MPa.

2.5 運行時間對羅丹明B降解率的影響

由圖 7 可以得知， 8個文丘里管對羅丹明B的空化降解率均隨著反應(yīng)時間的延長而逐步上升， 0～40 min降解率上升速度較快， 40～60 min降解率上升速度逐步減緩. 出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是， 運行時間延長， 經(jīng)過文丘里管的次數(shù)變多， 產(chǎn)生空化效應(yīng)的次數(shù)增加， ·OH產(chǎn)量增加[20]， 所以與羅丹明B的反應(yīng)量增加， 由于40～60 min反應(yīng)速率降低， 所以考慮到經(jīng)濟因素， 將反應(yīng)時間定在60 min.

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了8個尺寸不同的文丘里管， 分別在壓力0.3～0.5 MPa、 溫度為40 ℃下， 對一定濃度的羅丹明B溶液進行降解， 分析了文丘里管尺寸等參數(shù)對降解效果的影響.

1) 自行設(shè)計的文丘里管可以產(chǎn)生空化效應(yīng)， 并部分降解溶液中的羅丹明B， 其中編號為vent.5的文丘里管空化效果最好， 在溫度40 ℃、 壓力0.4 MPa、 反應(yīng)時間1 h條件下， 降解效率最高為18.5%.

2) 在相同溫度、 不同壓力條件下， 當(dāng)文丘里管喉徑比β由0.24降至0.08時， 羅丹明B降解率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢， 喉徑比為0.16時， 羅丹明B降解率出現(xiàn)最大值； 文丘里管喉管長度由25 mm增加至35 mm時， 羅丹明B降解率先升高后降低， 喉管長度為30 mm時， 羅丹明B降解效果最好； 羅丹明B降解率隨著文丘里管擴散段長度(30～90 mm)的增加而升高， 即最佳擴散段長度為90 mm.

3) 壓力、 時間影響水力空化效果. 實驗條件下， 最佳空化壓力為0.4 MPa， 羅丹明B降解率隨著運行時間的延長不斷提高. 因此， 可通過調(diào)節(jié)入口壓力， 延長運行時間， 改變文丘里管設(shè)計參數(shù)等增強空化效應(yīng).

[1]朱宏飛, 李定龍, 朱傳為. 印染廢水的危害及源頭治理舉措[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2007, 32(11)： 89-92. Zhu Hongfei, Li Dinglong, Zhu Chuanwei. Harm of the printing and dyeing wastewater and the emission source treatment[J]. Environmental Scienceand Management, 2007, 32(11)： 89-92. (in Chinese)

[2]戴日成, 張統(tǒng), 郭茜, 等. 印染廢水水質(zhì)特征及處理技術(shù)綜述[J]. 給水排水, 2000, 26(10)： 33-37. Dai Richeng, Zhang Tong, Guo Qian, et al. Summary of printing-dyeing wastewater treatment technology[J]. Water & Wastewater Engineering, 2000, 26(10)： 33-37. (in Chinese)

[3]Gogate P R, Pandit A B. A review and assessment of hydrodynamic cavitation as a technology for the future[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2005, 12(1-2)： 21-27.

[4]Arrojo S, Benito Y, Tarifa A M. A parametrical study of disinfection with hydrodynamic cavitation[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2008, 15(15)： 903-908.

[5]Riesz P, Kondo T. Free radical formation induced by ultrasound and its biological implications[J]. Free Radical Biology & Medicine, 1992, 13(3)： 247-270.

[6]Von E C, Overbeck J, Haupt G, et al. Bactericidal effect of extracorporeal shock waves on Staphylococcus aureus[J]. Journal of Medical Microbiology, 2000, 49(8)： 709-712.

[7]Flint E B, Suslick K S. The temperature of cavitation.[J]. Science, 1991, 253(5026)： 1397-1399.

[8]張淑君, 陳可. 基于水力空化技術(shù)的降解特性研究[J]. 力學(xué)與實踐, 2013, 35(1)： 26-30. Zhang Shujun, Chen Ke. Study of degradation characteristics based on hydrodynamic cavitation[J]. Mechanics in Engineering, 2013, 35(1)： 26-30. (in Chinese)

[9]李根生， 沈曉明， 施立德， 等. 空化和空蝕機理及其影響因素[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1997, 21(1)： 97-102. Li Gensheng, Shen Xiaoming, Shi Lide, et al. Review of studies on cavita and cavitation erosion[J]. Journal of the University of Petroleum, China, 1997, 21(1)： 97-102. (in Chinese)

[10]朱孟府, 曾艷, 鄧橙,等. 水力空化在水處理中的應(yīng)用與研究進展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2010, 33(12F)： 445-449. Zhu Mengfu, Zeng Yan, Deng Cheng, et al. Application and research of hydrodynamic cavitation technology in water treatment field[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 33(12F)： 445-449.(in Chinese)

[11]王夙, 孫三祥, 高孟理, 等. 水力空化降解羅丹明B研究[J]. 中國給水排水, 2004, 20(12)： 46-48. Wang Su, Sun Sanxiang, Gao Mengli, et al.. Hydrodynamic cavitation process for degradation of Rhodamine B[J]. China Water & Wastewater, 2004, 20(12)： 46-48. (in Chinese)

[12]孟政兵, 孫三祥. 水力空化降解羅丹明B的試驗研究[J]. 甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009, 23(2)： 40-41. Meng Zhengbing, Sun Sanxiang. A best condition research on decomposition of Rhodamine-B by hydrodynamic cavitation technique[J]. Journal of Gansu Lianhe University(Natural Sciences), 2009, 23(2)： 40-41. (in Chinese)

[13]張波, 沈立, 龔文娟. H2O2強化水力空化降解羅丹明B廢水[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2015, 9(11)： 5364-5368. Zhang Bo, Shen Li, Gong Wenjuan. Degradation of Rhodamine B in water by hydrodynamic cavitation with H2O2augmentation[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2015, 9(11)： 5364-5368. (in Chinese)

[14]馮中營, 趙婷婷. 水力空化與臭氧聯(lián)合降解羅丹明B[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報, 2012, 34(8)： 36-38. Feng Zhongying, Zhao Tingting. Degradation of Rhodamine B by combined use of hydrodynamic cavitation and ozone[J]. Journal of Wuhan Institute of Technology, 2012, 34(8)： 36-38. (in Chinese)

[15]Mishra K P, Gogate P R. Intensification of degradation of Rhodamine B using hydrodynamic cavitation in the presence of additives[J]. Separation & Purification Technology, 2010, 75(3)： 385-391.

[16]孫艷琦, 牛文全. 文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)對其水力性能的影響[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2010, 38(2)： 211-218. Sun Yanqi, Niu Wenquan. Effects of Venturi structural parameters on the hydraulic performance[J]. Journal of Northwest A &F University(Nat .Sci.Ed.), 2010, 38(2)： 211-218. (in Chinese)

[17]付勇. 文丘里管內(nèi)空泡動力學(xué)特性研究[D]. 大連： 大連理工大學(xué), 2007.

[18]Moholkar V S, Pandit A B. Modeling of hydrodynamic cavitation reactors： a unified approach[J]. Chemical Engineering Science, 2001, 56(21)： 6295-6302.

[19]Kim H J, Nguyen D X, Bae J H. The performance of the sludge pretreatment system with venturi tubes.[J]. Water Science & Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2008, 57(1)： 131-7.

[20]Aseev D G, Batoeva A A. Effect of hydrodynamic cavitation on the rate of OH-radical formation in the presence of hydrogen peroxide[J]. Russian Journal of Physical Chemistry, 2014, 88(1)： 28-31.

[21]Shah Y T, Pandit A B, Moholkar V S. Cavitation Reaction Engineering[J]. Organic Letters, 1999, 17(24)： 123-313.

[22]Gogate P R, Pandit A B. Engineering design methods for cavitation reactors II： Hydrodynamic cavitation[J]. Aiche Journal, 2000, 46(8)： 1641-1649.

Effect of Venturi Tube Structure Parameters on Degradating Rhodamine B Dye Wastewater with Hydrodynamic Cavitation Technique

YANG Si-jing, JIN Ri-ya, QIAO Yi-na, SHI Shu-ting

(School of Chemical and Environment Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

To study the effect of venturi tube structure parameters on hydrodynamic cavitation intensity, a water treatment equipment based on eight venturi tube with different structure parameters was designed to treat the Rhodamine B wastewater. The influence of venturi tube structure parameters, inlet pressure and reaction time on the cavitation effect were researched, experimental results are shown as follows: The strength of the cavitation effect is closely related to the structure parameters of venturi tube. As the inlet pressure increase from 0.3 to 0.5 MPa, the degradation rate of Rhodamine B of different venturi tubes show the tendency of increases firstly and then decreases.The change of venturi throat to pipe diameter ratio(0.24～0.08) and venturi tube throat length(25～35mm) have the same effect tendency on degradation rate of Rhodamine B than that of inlet pressure. As the reaction time extend from 0 to 60min, venturi tube diffusion length increace from 30 to 90 mm, degradation rate of Rhodamine B present a rising tendency, the maxmum degaradation rate of venturi tube can attain 15.8%.

hydrodynamic cavitation; Rhodamine B; venturi tube; wastewater treat

1673-3193(2017)01-0072-06

2016-09-02

山西省技術(shù)攻關(guān)項目(2015031020)

楊思靜(1988-)， 女， 博士生， 主要從事污水處理的研究.

X703

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.01.014