楊富幫，阮孝慈，王鵬飛，鄧 宇

（天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津 300457）

聲波沉降工藝研究

楊富幫，阮孝慈，王鵬飛，鄧 宇

（天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津 300457）

設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，以高嶺土沉降為研究對(duì)象,分析實(shí)驗(yàn)中聲波頻率、聲場(chǎng)中聲壓級(jí)和作用時(shí)間對(duì)高嶺土沉降的影響。結(jié)果表明，高嶺土的沉降效果隨聲波頻率、作用時(shí)間增大而減小，但在不同聲壓級(jí)沉降效果在一定范圍波動(dòng)，高嶺土沉降的最佳工藝參數(shù)為：聲波頻率為 3 000 Hz，聲壓級(jí)115 dB，作用時(shí)間30 min。

高嶺土；聲波；沉降工藝

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程和工業(yè)化的加快，每年的污水排放量都在增長(zhǎng)，單純的城市污水排放量就達(dá)到每年420億t[1]，排放大量未處理的城市污水對(duì)我國(guó)的水資源產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。污水處理涉及到環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和資源的可持續(xù)發(fā)展，是節(jié)能減排的重要組成部分。而這其中，聲波污水處理技術(shù)由于其成本低，二次污染少，操作簡(jiǎn)單，設(shè)備簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)倍受關(guān)注，許多科學(xué)家在研究此技術(shù)[2]。1926年，著名物理學(xué)家伍德研究了超聲波在介質(zhì)中的震動(dòng)性質(zhì)，引起了轟動(dòng)并且使許多科學(xué)家開(kāi)始研究聲波[3]。到了1931年，帕特森和卡伍德研究以空氣為介質(zhì)的聲波團(tuán)聚方法，并且通過(guò)其研究表明，在駐波節(jié)點(diǎn)上有懸浮顆粒團(tuán)聚，并稱此現(xiàn)象為聲波團(tuán)聚現(xiàn)象[4]。聲波與物質(zhì)分子的作用，主要是聲空化作用、機(jī)械作用以及熱作用[5]。

當(dāng)前世界范圍內(nèi)聲波團(tuán)聚的研究機(jī)構(gòu)主要包括美國(guó)賓州州立大學(xué)的研究小組[6-7]、美國(guó)紐約布法羅大學(xué)的研究小組[8-9]等。聲波團(tuán)聚的基本原理可表述為利用高強(qiáng)聲場(chǎng)促進(jìn)顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以至碰撞，顆粒碰撞后很可能會(huì)黏結(jié)形成更大粒徑的顆粒[10]。

本文設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，以高嶺土沉降為研究對(duì)象，分析實(shí)驗(yàn)中聲波頻率、聲場(chǎng)中聲壓級(jí)和作用時(shí)間對(duì)高嶺土沉降的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：標(biāo)智GM1356噪音計(jì)，深圳市佳利正宏電子有限公司；XFD-7A型低頻信號(hào)發(fā)生器，天津市第二電子儀器廠；SYJ-IA型DSP教學(xué)功率放大器，北京市三雅誠(chéng)信系統(tǒng)工程技術(shù)有限公司；AQ2010濁度儀，深圳市凱銘杰儀器設(shè)備有限公司。在聲波室兩端進(jìn)行密封,并在一端安裝用于聲波反射的堵頭，另一端安裝輻射聲波的聲源。

實(shí)驗(yàn)試劑：高嶺土，精細(xì)化工研究室提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 高嶺土溶液配制

在本實(shí)驗(yàn)中，主要研究聲波頻率、聲壓級(jí)和作用時(shí)間對(duì)高嶺土沉降的影響；首先取400 mL蒸餾水，加入高嶺土9.19 g，在常溫下對(duì)高嶺土進(jìn)行溶解，不斷攪拌，保持30 min。取10 mL高嶺土飽和溶液于500 mL的燒杯中，加入490 mL的蒸餾水即稀釋50倍。準(zhǔn)備7個(gè)100 mL的同樣材質(zhì)燒杯，每個(gè)倒入80 mL的高嶺土稀釋液。前5個(gè)用于聲波沉降實(shí)驗(yàn)，第6個(gè)用于自然沉降實(shí)驗(yàn)，第7個(gè)用于測(cè)量原始濁度。

1.2.2 聲波頻率對(duì)高嶺土沉降效果影響的研究

在配置完成的溶液中，將其分成7等份，測(cè)其初始濁度在一確定的值下，測(cè)量過(guò)程中控制聲壓級(jí)和作用時(shí)間相同，改變聲波頻率，在相同實(shí)驗(yàn)情況下檢測(cè)濁度隨頻率的變化特點(diǎn)，得出最佳沉降頻率。

1.2.3 聲壓級(jí)對(duì)高嶺土沉降效果影響的研究

在配置完成的溶液中，將其分成7等份，測(cè)其初始濁度在一確定的值下，在最佳聲波頻率下作用相同時(shí)間，考察不同聲壓級(jí)對(duì)沉降效果的影響，得出最佳沉降聲壓級(jí)。

1.2.4 作用時(shí)間對(duì)高嶺土沉降效果影響的研究

在配置完成的溶液中，將其分成7等份，測(cè)其初始濁度在一確定的值下，在最佳聲波頻率和聲壓級(jí)下，考察不同作用時(shí)間對(duì)沉降效果的影響，得出最佳沉降時(shí)間。

1.2.5 沉降工藝正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)聲壓級(jí)、頻率和作用時(shí)間3個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，采用L9（34）正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果確定高嶺土沉降的最佳工藝條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 聲壓級(jí)隨位置的變化

由于聲級(jí)計(jì)的量程范圍是30～130 dB，所以要根據(jù)管內(nèi)外差值來(lái)測(cè)量聲壓級(jí)，為了便于測(cè)量并減少實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的誤差，測(cè)量聲室內(nèi)聲壓級(jí)時(shí)要多測(cè)量幾次，取平均值，然后加上管外聲壓級(jí)值就是管內(nèi)聲壓級(jí)值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 管內(nèi)外聲壓級(jí)差值

另外需要考慮的是聲波室內(nèi)隨著距離而發(fā)生的聲壓級(jí)衰減問(wèn)題。由于在聲波室內(nèi)形成的是駐波聲場(chǎng)，為了比較聲壓級(jí)隨距離變化而發(fā)生的變化情況，只對(duì)比各頻率聲波在波腹和波節(jié)處的聲壓級(jí)。本實(shí)驗(yàn)以揚(yáng)聲器為初始位置，單位為mm。其中用于測(cè)量聲壓的聲級(jí)計(jì)型號(hào)為標(biāo)智GM1356噪音計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示 （其中，B：初始聲壓級(jí)118 dB，C：初始聲壓級(jí)122 dB，D：初始聲壓級(jí)128 dB）。

從圖1中可以看出，隨著距離遠(yuǎn)離揚(yáng)聲器，聲壓級(jí)數(shù)并沒(méi)發(fā)生明顯的減小或增大，表明在聲場(chǎng)中并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的衰減效應(yīng)。所以在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以不考慮微小距離帶來(lái)聲壓級(jí)的變化。

2.2 聲波頻率對(duì)沉降效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件：將聲壓級(jí)控制在100 dB，聲波頻率為600、1 400、2 200、3 000、3 800 Hz，作用時(shí)間為 20 min，在不同的頻率下用AQ2010濁度儀測(cè)其濁度?？疾觳煌l率對(duì)除塵效果的影響，結(jié)果如圖2。其中，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的空白濁度見(jiàn)表2。

圖1 聲壓級(jí)隨位置的變化

表2 初始和穩(wěn)定的濁度

圖2 聲波頻率對(duì)沉降效果的影響

根據(jù)圖2中數(shù)據(jù)可知，濁度隨著聲波頻率的增加，其呈現(xiàn)先減小后平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，在頻率為2 000～3 000 Hz時(shí)，濁度下降速度較快，在此階段頻率下，高嶺土發(fā)生較快團(tuán)聚作用。從圖中數(shù)據(jù)可以得出，頻率在3 000 Hz濁度最小。實(shí)驗(yàn)中濁度最小表示沉降效果最好，所以，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最佳聲波頻率為3 000 Hz。

2.3 聲壓級(jí)對(duì)沉降效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件：將聲波頻率控制在3 000 Hz，聲壓級(jí)為 80、90、100、110、120、130 dB，作用時(shí)間為 20 min，在不同的聲壓級(jí)作用下用AQ2010濁度儀測(cè)其濁度?？疾觳煌晱?qiáng)對(duì)除塵效果的影響，結(jié)果如圖3。其中，實(shí)驗(yàn)中空白濁度見(jiàn)表3。

表3 初始和穩(wěn)定的濁度

圖3 聲壓級(jí)對(duì)沉降效果的影響

根據(jù)圖3中數(shù)據(jù)可知，濁度隨著聲壓級(jí)的增大，其呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，從圖中數(shù)據(jù)可以得出聲壓級(jí)在110 dB時(shí)濁度最小。在聲壓級(jí)較強(qiáng)時(shí)會(huì)不利于高嶺土的團(tuán)聚。所以，最佳聲壓級(jí)為110 dB。

2.4 作用時(shí)間對(duì)沉降效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件：將聲波頻率控制在3 000 Hz，聲壓級(jí)控制在 110 dB， 作用時(shí)間為 10、15、20、25、30、35 min，在不同作用時(shí)間下用AQ2010濁度儀，測(cè)其濁度?？疾觳煌饔脮r(shí)間對(duì)除塵效果的影響，結(jié)果如圖4。其中，實(shí)驗(yàn)中空白濁度見(jiàn)表4。

表4 初始和穩(wěn)定的濁度

根據(jù)圖4中數(shù)據(jù)可知，濁度隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)先減小，其后呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)，從圖中數(shù)據(jù)可以得出作用時(shí)間為30 min時(shí)濁度最小之后趨于穩(wěn)定。在30 min后，作用時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)高嶺土的團(tuán)聚作用已經(jīng)很小。所以，最佳作用時(shí)間為30 min。

2.5 高嶺土沉降的正交實(shí)驗(yàn)

依據(jù)高嶺土沉降的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定正交實(shí)驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表5，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 正交實(shí)驗(yàn)因素及水平表

表6 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表7 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

由表6可知，影響高嶺土沉降的最主要因素是聲壓級(jí)，其次為聲波頻率，最后為作用時(shí)間。選擇了較優(yōu)因素為聲壓級(jí)115 dB，頻率3 000 Hz，作用時(shí)間30 min。表7為最優(yōu)條件下的3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果。

圖4 作用時(shí)間對(duì)沉降效果的影響

由表7可知，在最優(yōu)條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。

3 結(jié)論

利用聲波技術(shù)對(duì)高嶺土進(jìn)行沉降研究，設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)分析聲波頻率、聲壓級(jí)、作用時(shí)間對(duì)高嶺土沉降影響，其影響主次順序?yàn)槁晧杭?jí)、聲波頻率、作用時(shí)間，得最佳工藝參數(shù)為：聲壓級(jí)115 dB，頻率 3 000 Hz，作用時(shí)間 30 min。

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10.13752/j.issn.1007-2217.2017.04.007

2017-08-18