活性红是什么原因()

本号开始安排连载系列，首先介绍高级氧化法中的“水力空化”技术。

书接上回，第一回是空化的分类，以及水力空化的发展历史、机理概述。本回详细说明了不同水力空化反应器，并对不同类别的反应器进行了性能比较。

高级氧化技术连载系列：水力空化降解篇（一）

HC反应器有很多种。在本综述中，我们将最常研究的HC反应器分为五种类型，如图1所示。在这些装置中，文丘里管和孔板式HC反应器在线性流中产生低压区和空化泡，而旋转式和基于涡流的HC反应器在旋转或涡流中产生空化泡。根据不同反应器各自的特点对其优缺点进行了比较，列于下方。

图1：不同类型HC反应器的总结

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不同反应器的优缺点比较

孔板型的优点： 1.结构简单 2.灵活的设计 3.易于操作和控制 4.运营和维护成本低。

孔板型的缺点： 1.容易堵塞和侵蚀 2.大量的压力损失和能量分散。

文丘里管型的优点： 1.结构简单 2.操作简单 3.降低运营和维护成本 4.平滑的收敛和发散部分。

文丘里管型的缺点：1.容易堵塞和侵蚀 2.建造成本高于孔板，尤其是狭缝文丘里管。

旋转式装置的优点： 1.更低的压力损失和能量分散 2.更高的传质效率 。

旋转式装置的缺点： 1. 运营和维护费用高 2. 复杂的结构。

涡流型的优点： 1. 不需要移动式部件就能产生涡流。2. 减少对 HC 反应器表面和管道的破坏。

涡流型的缺点： 1.容易堵塞。2.控制空化强度的灵活性远小于文丘里管和孔口的灵活性。

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文丘里管和孔板式HC反应器在基于HC的有机废水处理中应用最广泛，因为它们可以为去除污染物提供理想的空化强度。此外，这些类型的设备简单易操作，维护成本较低。然而，基于孔板或文丘里管的设计容易发生堵塞和侵蚀，因为空化发生在固体壁附近。相比之下，旋转式装置可能无法产生强烈的空化条件，以产生诱导效应的显著影响，产生高压和高速所涉及的高运行和维护成本限制了其在工业中的应用。同时，与文丘里管和节流孔相比，控制空化强度的灵活性要小得多。因此，许多研究人员也在致力于提高旋转式HC装置的性能。基于涡流的HC反应器在涡流中产生空化泡。与带定子和转子的旋转式HC反应器不同，此处基于涡流的HC反应器指的是不需要移动部件来产生涡流的反应器。近年来，基于涡流的HC装置在水处理和消毒方面得到了广泛的研究。

反应器的空化特性受反应器几何参数和流量参数等多种因素的影响。在本工作中，我们系统地总结了现有的和研究最多的水力空化反应器的类型，参考分析了各种反应器的结构，并讨论了影响反应器性能的主要参数，以期为研究人员提供更好的参考。

2.1. 文丘里管型HC反应器

文丘里管通常由收敛段、喉部和发散段组成。与孔板相比，文丘里管的平滑会聚和发散部分确保了在给定压降下，文丘里管在喉部产生更高的速度，同时具有更低的Cv。光滑的分流段也为空化泡提供了足够的存在时间，使其保持在低压区，直到它们在坍塌前达到最大尺寸。Mishra和Gogate比较了圆形文丘里管和具有相同流动面积的单孔孔板对罗丹明B降解的影响，发现文丘里管在给定工作压力下比单孔孔板产生更强烈的空化效果，降解程度更高。这是因为在相似的操作压力下，文丘里管的Cv低于孔板的Cv，表明文丘里管反应器中的速度较高。因此，在相同的操作时间内，文丘里管通过空化区的次数将更高。

对于文丘里管，如图2所示，当流体流经文丘里管反应器的收缩段时，压力随着流体速度的增加而降低。通常，一旦压力降低到液体的饱和蒸汽压，液体开始气化，产生蒸汽一样的空化泡（有时，由于湍流引起的压力波动，压力高于蒸汽压时，也会发生这种情况），空化泡会随着压力的持续降低而增长，直到移动到文丘里管的喉部。然后，随着扩散段的存在，压力逐渐恢复，导致空化泡塌陷并引发局部热点，部分能量以永久压降的形式释放。压降的大小极大地影响了下游部分的空化和湍流强度。

图2：水力空化反应器中不同阶段空化过程的压力分布

图3是大多数研究中使用的文丘里管或孔板型HC反应器的示意图。该装置是一个封闭回路，由一个泵、一个储罐、两个压力表、一个转子流量计、控制阀和HC装置组成。储罐配有冷却套或冷却盘管，以控制循环液体的温度。通过调节控制阀来控制流经主回路的流量。还可以通过调节流量来控制流体的进口压力。两个压力表分别用于测量反应器入口和出口的压力。转子流量计可以测量流经主线的流体流量，以分析反应器的水力参数。

图3：孔板和文丘里管型HC反应器的示意图。D - 文丘里管或孔板喉部的直径; αc - 半收敛角; βc - 半发散角; l - 喉部的长度

根据文丘里管的几何形状，可以分为圆形文丘里管、狭缝文丘里管和椭圆形文丘里管。环形文丘里管和狭缝文丘里管的研究最多。文丘里管的几何参数会极大地影响空化行为。因此，必须优化文丘里管的操作参数和几何参数，以获得所需的空化强度。许多研究报告，根据发散角、喉部截面直径与喉部长度之比（狭缝文丘里管的狭缝高度与长度之比）以及喉部周长与开口面积之比（α）的影响，优化文丘里管的几何参数。

已有的文丘里管反应器处理废水的文献，列出了文丘里管反应器的几何参数。其中许多研究都是基于Bashir等人的优化设计。例如，Bagal和Gogate报道了使用狭缝文丘里管结合HC和光催化处理双氯芬酸，其尺寸基于另一篇文章中研究的优化参数。使用相同的狭缝文丘里装置，Patil等人研究了常用杀虫剂吡虫啉在不同添加剂条件下的降解，以及使用相同狭缝文丘里管装置的联合其他类似工艺的降解。此外，Prajapat和Gogate报告了HC在瓜尔胶解聚中的应用，使用了三种不同的空化装置，即单孔孔板、圆形文丘里管和狭缝文丘里管。据观察，狭缝文丘里管比孔板文丘里管和圆形文丘里管更有效。对于特定的入口压力，狭缝文丘里管的Cv较小，同时，每个单元耗散到系统中的功率较高。此报告中使用的空化装置的几何形状也基于文献中的优化参数。

Bashir等人选择了喉部周长与开口面积之比（α），狭缝高度与长度之比，和扩散段的角度作为文丘里管优化设计的三个参数，并用计算流体力学（CFD）分析研究了喉部的五种设计（圆形、狭缝、环形、环形狭缝和双环缝）。从报告中可以看出，在给定压降下，随着α值的增加，产生的空化泡数量增加，低压区和空化泡的大小也增加。喉部的长度决定了空化泡在低压区的停留时间。停留时间也与空化泡的大小有关。如果停留时间太短，空化泡无法长大到所需的大小。然而，由于空化泡的长大与合并，较长的停留时间不利于高强度空化的产生。扩散段的角度影响压力恢复率。结果表明，5.5◦ 的发散角是建议研究的最佳角度（5.5◦至8.5◦），当狭缝高度与狭缝长度之比等于1时，在给定压力下，空化效应最大。此外，双环缝文丘里管的性能优于其他四种文丘里管。然而，由于几何结构复杂，很难设计出双环缝文丘里管。因此，狭缝文丘里管可能是一般空化应用的更好选择。

Rajoriya 等人采用八种空化装置，包括两种圆形和狭缝两种空化装置和六种尺寸和形状不同的单孔板，研究了几何参数和不同的氧化添加剂对活性蓝13(RB13)降解的影响。在最佳进口压力下，采用狭缝文丘里管可以获得 RB13的最大脱色度。结果表明，流动面积越大，空化率越高； 对于喉部截面积一定的情况下，喉部周长越大，HC 的最大降解效率越高。Zupanc 等人使用了一个对称的文丘里管，收缩高度为1毫米，宽度为5毫米的 HC 发生器。整个装置由一个三通阀、两个2升水箱和一个连接两个水箱的对称文丘里管组成。不需要泵。两个容器之间的液体循环是通过在高压下注入压缩空气实现的，迫使水通过文丘里管的收缩管从充满水的容器流向空的容器，如图4所示。该阀采用电子控制，可根据接收到的信号自动开启和关闭。与其他文献中的文丘里管相比，这里使用的文丘里管的几何形状是不同的。它在上下方向上不对称，不像普通的文丘里管。但是在这项工作中，这种类型的文丘里管与普通类型的文丘里管之间没有比较，所以很难确定哪种更好或更坏。

图4 HC反应器的循环操作

2.1.1. 喉部直径/高度与长度之比的影响

喉部直径/高度与长度的比值是决定空化泡塌陷前最大尺寸的重要因素。喉部的长度决定了空化泡在低压区的停留时间。Kuldeep 和 Kumar研究了不同喉部高度/直径比(1:1、1:2和1:3)对不同 HC 反应器空化效率的影响。文丘里管的情况下，这个参数对空化泡数目及其增长率的影响微乎其微，最佳比率是三个比率中的1:1。相比之下，在孔板式 HC 反应器中，喉部长度对空化特性的影响更加明显，因为在孔板中产生的空化泡数量本来就比文丘里管的少。喉部长度越长，在低压区产生的空化泡越多。然而，过长的喉部长度是不可取的，因为它可能会导致永久性的压力下降，从而使产生的空化泡变成不活跃的空化泡。1:3的比例给出了孔板的最大空化区。利用空化长度和空化体积作为响应，结合流体动力学(RSM)和计算流体力学(CFD) ，优化了狭缝文氏管的无量纲参数(l/h，w/h，和 θ)。认为较高的 l/h、 w/h 比值有利于空化体积的增大，但 l/h 的影响较小。在较高的 w/h 值条件下，随着喉部宽度的增加以及固体表面(边缘)的增加，剪切面积和气泡生成数增加。

2.1.2. 发散角的影响

在文丘里管中，喉部和收敛段的大小和形状主要影响产生的空化泡数量及其动态行为。空化的总体效果取决于产生的空化泡数量及其坍塌强度。此外，空化泡的最大尺寸及其寿命取决于发散截面的形状。分叉段的形状可防止早期空化泡塌陷。文丘里管式HC装置的发散角是控制压力恢复率的决定性因素。一般来说，压力恢复率随扩散角的增大而增大。较大的发散角会导致空化泡迅速坍塌，而较小的发散角会使压力恢复平稳，并促进空化泡的生长。

Kuldeep和Kumar模拟了5.5°、6.5°和7.5°三种不同的半发散角，以优化压力恢复率。观察到，与讨论的另一半发散角相比，在6.5°的半发散角下可以获得最大空化率。大的发散角导致空化泡突然坍塌。但对于较小的发散角，压力恢复将是平稳的，空化泡会在破裂前增长并达到最大尺寸，从而导致更高的空化强度。Li等人也获得了类似的结果。他们研究了文丘里管的半发散角对HC降解RhB的影响，使用三个具有不同半发散角（α-1、α-2和α-3）的方形文丘里管，分别对应于4.0°、6.0°和8.0°。结果表明，三种文丘里管的降解率分别为42.91%、58.32%和36.35%。含有α-2的文丘里管的降解率最高，这表明文丘里管可以产生最强的HC效应。相比之下，在α-1的情况下，流速更快。在巨大冲击射流的作用下，空化泡在长大之前会被推出空化区。相反，对于带有α-3的文丘里管，较大的发散角会导致发散段的压力立即恢复，从而导致不利于空化泡的过早破裂。Bashir等人根据获得的Cv和发散截面中的密度分布，探索了文丘里管的四个不同半发散角（5.5°、6.5°、7.5°和8.5°），其余参数相同。观察到，随着角度从5.5°增加到8.5°，扩散段的压降增加，导致喉部位置的流体速度降低，Cv从0.23增加到0.28。此外，不同发散角的压力和密度等值线显示，发散角为8.5°时空化区的大小几乎是发散角为5.5°时空化区大小的一半。8.5°和5.5°发散段半角的坍塌压力分别为3343 atm和2954 atm。因此，半发散角为5.5◦ 是推荐的。

研究人员使用的文丘里管的半发散角主要为5.5°或6.4°。此外，大多数狭缝文丘里管通常为5.5°，其中许多是根据文献进行优化的，大多数圆形文丘里管为6.4°。也有关于半发散角的其他值的报告，尽管较少。此外，最佳半发散角不应是一个固定值，而应根据一定的过程来确定。例如，对于需要更高坍塌压力的过程，需要更大的半发散角。否则，较小的半发散角可使空化坍塌强度合理，从而提供更大的空化区。

2.2. 孔板式HC反应器

作为产生强烈空化条件的最有效的HC装置之一，孔板已被广泛研究。孔板结构简单，易于设计，在给定的管道横截面积内可以容纳更多的孔。与文丘里管不同，文丘里管具有平滑的收敛和发散部分，由于突然收缩和发散，孔口中的空化是暂时的。此外，由于管道突然膨胀，压力立即恢复，空化泡迅速坍塌，导致空化泡剧烈坍塌。当液体通过收缩管时，发生边界层分离，大量能量以永久压降的形式损失。因此，收缩的下游会出现非常高强度的流体湍流。其强度取决于压降的大小，而压降的大小又取决于收缩的几何形状和液体的流动条件，即湍流的规模。通过调整孔板的几何参数（例如孔的数量、孔的大小和孔的形状），可以实现更高的空化强度或空化率。

根据孔的数量，孔板可分为单孔孔板和多孔孔板。对于相同的流动面积，多孔孔板可以提供比单孔孔板更好的空化效果，因为在大量空化孔的情况下，会产生更多的剪切面积，从而产生大量空化。对于多孔孔板，孔的数量、孔的尺寸和形状以及孔的分布都是孔板设计中的重要因素。通常，对孔板空化效应的研究主要集中在以下参数上：1. 总周长与总流动面积之比（α）；2. 喉部面积与管道横截面积之比（β）。在这里，我们总结了针对不同应用领域使用各种孔板式HC装置的研究报告，并讨论了影响空化行为和空化率的主要因素。

2.2.1. 总周长与总流动面积之比的影响（α）

参数α定义为孔的总周长与总流动面积之比，它量化了孔板几何形状的影响。孔的总周长和总流动面积是孔板型HC装置设计的两个重要参数。孔的总周长表示剪切层占据的面积。研究发现，剪切层中的湍流和剪切层所占面积是影响空化率的重要因素。孔洞总周长的增加有利于空化活动。在给定的工作时间内，总流动面积决定了流体的流速，从而决定了流体通过节流孔的次数。总周长和总流动面积都与孔的数量和直径有关。参数α的定义量化了HC装置几何形状对空化行为的影响，使几何参数对空化率影响的分析更加直观。这取决于孔板的孔尺寸、形状和孔数。

许多研究表明，随着α值的增加，HC器件的空化效应增强。例如，Sivakumar和Pandit研究了多孔孔板的几何形状对使用六种不同的多孔孔板降解阳离子染料罗丹明B（RhB）的影响。根据该报告，RhB的降解程度随着α值的增加而增加。对于具有相同流动面积的板，由于剪切层的面积较大，因此更建议使用孔径较小的板。此外，空化强度随流动面积的减小而增大。因此，应选择较低百分比的板区域。Vichare等人使用六个不同几何形状的多孔孔板来研究HC对碘化钾分解的空化效应。他们指出，可以通过改变流动几何形状或增加湍流频率以及剪切层所占流动面积的比例来提高空化率。对于α值相同的板，随着孔数的增加，碘的释放速率更高。Lu等人研究了孔板几何形状和空化操作参数对双酚A（BPA）空化去除的影响。在α值相同的情况下，具有更多孔的板可以获得更高的去除率。对于相同流动面积的平板，BPA的去除率随着α值的增加而增加。Wang等人也报告了类似的结果。因此，在设计孔板时，大多数工艺建议采用更高的α值，较小的尺寸和更多的孔似乎是更好的选择。

虽然广泛报道α值越高，对不同的应用越有利，但它并不适用于所有工艺。Lee等人根据α和β值优化了HC装置，包括12个不同的孔板，以获得直接从湿微藻中提取内部脂质的最大值，并对流量、孔板流速、每分钟旋转次数和Cv等参数进行了相关分析。有趣的是，在空化次数最少或α值最大时，脂质的产量并没有达到最大值。他们将这归因于HC反应器中流速变化驱动的喘振压力，并指出，随着蒸汽分数的增加和流体旋转次数的增加，波动压力越小，采脂质效率越高。因此，对于某个过程，α的最佳值可能存在，因为α的影响是多方面的。

2.2.2. 总流动面积与管道横截面积之比的影响（β）

另一个参数β被定义为总流动面积或孔口面积与管道横截面积之比。它可以通过改变板的直径和孔数来改变。当管道直径固定时，β值表示孔板的有效面积，因此孔板流量和旋转次数随β的变化而变化。通常，β值与湍流强度有关，从而影响气泡寿命。有时，也使用参数β' （孔口与管道直径之比的值）代替β。Moholkar和Pandit研究了固定管径下两个不同β' 值下的气泡行为。结果表明，湍流强度与β′成反比。永久压头损失随β' 的增大而减小（当孔口与管径之比为0.5时，永久压头损失为孔压差的73%，当孔口与管径之比为0.75时，永久压头损失为60%）。此外，随着湍流强度的降低，β’值越大，气泡寿命也越长。湍流的存在会导致空化立即发生，而湍流的增加会使空化泡的塌陷更加剧烈，产生大幅度的压力脉冲。如果将具有相同直径孔的板进行比较，则具有较大孔数的板的空化活性较小，并且空化率可以通过将空化泡聚集到较大的孔中来削弱。Sivakumar和Pandit曾报道，RhB的降解程度或速率常数随着β值的降低而增加。对于相同β值的平板，湍流尺度（l=0.08（dh+dp））随着孔径的增大而增大，而湍流频率（fT=v//l）则相反。对于有大量小孔的板，fT更高。因此，由于高湍流频率和空化强度，对于较小尺寸的板，RhB的降解程度更高。Vichare等人对KI分解反应也获得了类似的结果。然而，其他文献也报告了不同的结果。在Malade和Deshannavar的研究中，观察到活性红120的脱色率随着β值的增加而增加。这一结果被解释为由于流动面积的增加，空化过程的数量增加。类似地，Rajoriya等人发现活性蓝13的脱色率随着β值的增加而增加。因此，在以前的报告中，参数β对废水中污染物降解的影响并不一致。这种现象可能与污染物类型、各种操作条件以及所研究的β值的不同范围有关。需要根据实际情况探索最佳β。

对孔板设计参数的研究主要集中在参数α和β对空化行为的影响上，通常通过改变孔径和孔数来实现。为了进一步改善空化行为，研究人员进行了新的尝试和创新，例如，孔的形状、孔的排列、孔入口的锐度和壁角等等。Bis等人使用三种空化装置配置（即一个轴上有一个锥形孔，一个有5个矩形孔，一个有9个圆柱形孔），研究了收缩几何形状对空化结果的影响，以提高成熟垃圾渗滤液的生物降解性。根据他们的报告，带有锥形孔的平板更有利于提高成熟渗滤液的生物降解指数。这可能与它的特殊结构有关，它在水力空化流动条件方面类似于圆形文丘里管。此外，他们通过FT-IR/PAS分析发现，这种效应归因于空化的物理机制，而不是化学机制。

此外，还报道了其他一些参数对空化效应的影响。Moholkar和Pandit通过数值模拟评估了各种流动和几何参数对湍流强度的影响，这些会影响流体动力孔口中的气泡行为。结果表明，随着管道尺寸的增大，坍塌前的最大空化泡半径增大，从而导致更高的压力脉冲。由于管道尺寸的增加，湍流的频率降低，从而允许空化泡进一步增长。Simpson和Ranade讨论了孔口厚度l、孔入口锐度和壁角对空化行为的影响，并使用多相计算流体力学（CFD）模型模拟了通过孔口的空化流，该模型使用了Ebrahimi等人研究的相同孔口几何形状。同时，将流量系数和空化起始的模拟结果与已发表文献中的实验数据进行了比较，结果显示了良好的一致性。他们建议l/d的最小值为2.0。低于该值时，空化起始需要更高的压力比和流速。孔入口的锐度也会影响空化行为。锐边孔板设计在引发空化泡方面更有效。此外，与等面积（直）喉部段相比，斜壁需要更高的压力比和流速来产生空化泡。Mancuso等人使用四个厚度分别为1、2、3和4 mm的孔板，分析了孔板厚度对RhB降解的影响。对于厚度最小（1 mm）的板，尽管与其他板相比没有显著差异，但老化程度最大。此外，当厚度在2 mm到4 mm之间变化时，降解程度呈增加趋势。作者将这归因于在相同入口工作压力条件下，与其他孔板相比，孔板上游和下游之间的最大压差（厚度1 mm）。然而，由于厚度从2 mm增加到4 mm时，老化程度增加，因此未提及。

2.3. 旋转式HC反应器

在实验室规模上，研究人员大多使用单孔或多孔孔板以及各种文丘里管的管路限制来产生HC。这是由于它们具有结构简单，易于制造的优点。然而，由于能量会分散到系统中，这类HC装置不可避免地会造成相当大的压力损失。旋转式HC反应器的新型设计越来越受到人们的关注。在这种HC装置中，由于转子、定子和它们之间的液体的相对运动而产生的剪切力，在处理室内形成剪切空化泡。

在这些研究中，Badve等人使用由定子和转子组件组成的空化装置处理木材加工行业的废水。转子为实心圆筒，表面有204个凹痕。借助变频驱动器（VFD），它可以以不同的速度旋转。转子的高速旋转导致转子表面的高表面速度，从而在压痕表面附近形成低压区域。当压力低于或等于液体的蒸汽压力时，就会发生空化现象。研究发现，随着转子转速的增加，实际废水的化学需氧量（COD）的降低量先增加后降低。开始时，随着转速的增加，局部能量耗散率和湍流强度增加，从而增加了坍塌强度和废水降解率。但是，如果转速进一步增加，水层和转子之间的滑动会增加，从而导致空化程度降低。此外，在较高的速度下发生阻塞空化现象，这是不利的。这种情况与文丘里管或孔板装置中的情况类似，在文丘里管或孔板装置中，降解速率先随压力增加而增加，然后随压力增加而降低。Petkovšek等人提出了一种空化发生器，它由两个朝向相反方向旋转的转子组成。这些转子由功率为0.37千瓦的电动机驱动。对于旋转圆盘的设计，通过可视化和压力振荡对两种不同的设计进行了比较。在第一种情况下，转子上的齿呈直角，并由7 mm深和10 mm宽的凹槽隔开。在另一种情况下，对一个转子的轮齿进行修改，使其呈现8°的倾角。结果表明，更推荐第二种设计，即当齿对齐时，齿之间的间隙类似于文丘里管喷嘴的几何形状。这种特殊的设计会产生更大的低压区，空化的程度比直角空化发生器大得多。这种设计为转子的几何设计提供了一种新的思路。但是，除了驱动转子的两台电动机外，还需要额外的泵来进行流体循环，这在考虑能效时可能并不令人满意。Petkovšek等人进一步提出了一种基于离心泵设计的新型HC发生器。它由一个经过改造的转子和泵壳内的一个附加定子、一个5.5千瓦的电动机以及泵的初始入口和出口组成。壳体、改进后的转子和添加的定子一起作为空化处理室工作，剪切空化是由转子和定子在壳体中的相对运动产生的。它结合了HC反应器和泵的功能，主流体循环不需要额外的泵。同时，它不会造成额外的压降。与前一种设计相比，这种HC装置可能更节能，并且不需要太多空间。

Sežun等人研究了HC装置处理造纸厂二级污泥的有效性。在他们的研究中，使用对称文丘里收缩装置测试了贯穿式水动力空化（BTHC）装置，以与旋转式水力空化发生器（RGHC）进行比较。RGHC也基于转子-定子设计。使用RGHC的总氮（Nt）和可溶性化学需氧量（CODs）的增加高于BTHC装置，这可归因于RGHC中更强烈的剪切流条件。对于RGHC装置，每个转子-定子齿对形成准文丘里式收缩，因此与BTHC装置相比，它可以实现更高的效率。此外，RGHC还被进一步放大，以进行中试实验（体积为500升）。结果表明，CODs释放量增加了514 mg/L，Nt释放量增加了17.4 mg/L，总磷（Pt）释放量增加了2.3 mg/L。NaOH的加入大大改善了CODs和Nt的释放。Kim等人提出了一种新型转子-定子式HC反应器，由一个转子和三个盖子组成，用于研究污泥分解。空化是通过旋转改变沿流道的横截面积产生的，每个面对面上有32个凹坑。结果表明，在污泥处理过程中，这种转子-定子式HC反应器在颗粒分解和氧化电位方面均优于超声方法。Marššlek等人设计了一种旋转水力空化装置（RHCD），用于选择性去除蓝藻。一个在其周长周围钻有162个孔的厚圆盘充当转子，孔的轴线略微向后倾斜。转子旋转时产生空化涡和剪切力，有利于蓝藻的去除。他们通过一个持续6秒的单循环获得了99%的蓝藻去除率。

2.4. 涡流式HC反应器

旋转射流空化反应器和涡流二极管是两种常见的涡流式HC反应器。它们在不使用运动部件的情况下产生涡流。Wang和Zhang研究了在旋转射流空化反应器中降解甲草胺水溶液。该设置的示意图如表5所示。空化是在装置的圆柱形旋转空化室中产生的。当水循环通过旋转空化室时，形成旋转射流。其中心压力低于水的蒸汽压，因此产生空化气泡。然后，旋转射流从旋转空化室喷出，冲击到组合室的底面，压力迅速上升，空化泡溃灭。涡流二极管通常由三部分组成，如图5（a）所示：入口切向端口、盘形腔室和轴向端口。气流通过切向端口进入涡流二极管腔室，在涡流二极管腔室中，由于高度旋转的气流，腔室产生的低压区域围绕旋转轴形成。在这种情况下，空化区远离HC装置的固体壁，因此降低了反应器堵塞和侵蚀的风险。Kulkarni等人研究了11个尺寸不同但几何形状相同的二极管的性能，如图5（b）所示。这些二极管的直径（dC）在25-150毫米之间，而纵横比（dC/h，h是二极管的高度）范围从4到6。根据分析，当二极管的长宽比保持不变时，对于较大的二极管尺寸（即直径），将产生更高的二极管度。因为对于更大的二极管，可以操作的流量范围更大，这有助于稳定涡流，从而增加涡流的强度。此外，当轴向和切向喷嘴的尺寸与二极管高度相同时，二极管度更高。这些结论为涡流二极管的设计提供了参考，以获得有前途的二极管特性。

图5 典型涡流二极管的几何原理图(a)和文献中使用的二极管几何原理图(b)

此外，这种HC反应器不需要太多的运行和维护成本。因此，用于处理各种废水的涡流式HC反应器已被广泛报道。Jain等人评估了使用涡流二极管和孔板对含有大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的水进行消毒的性能。已经证明，涡流二极管对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的去除效率很高，与孔板相比，涡流二极管需要更低的压力条件来产生足够的空化强度进行消毒，这意味着能耗更低。Patil等人也通过分别使用孔板和涡流二极管去除废水中的氨氮得出了类似的结论。对于涡流二极管，合适的压降范围为0.5至2 Bar，而孔板的压降范围为2至5 Bar。此外，利用每程降解系数评估了曝气对氨氮去除的影响。结果表明，曝气可以改善HC的性能，随着氨氮初始浓度的增加，曝气的改善效果增加。然而，在实际工业废水（氨氮含量为2880 ppm的冷凝水）的处理中，通过空化曝气进行长时间处理（~10 h）后，可获得75%的降低效果。这意味着相对较高的处理成本，这表明需要做出更多努力来实现更高的降解和能源效率。

尽管基于涡流的HC反应器在水消毒和废水处理方面的良好性能已在许多研究中得到证实，但它们大多是实验室规模或中试规模。一些放大实验的结果并不令人满意。Sarvothaman等人报告了空化装置的规模对溶剂污染水处理的影响，使用了两种不同规模的基于涡流的空化装置，两种考虑的空化装置的特征尺寸之比为2，而标称容量之比为4。在相同的操作条件下，与较大的设备相比，较小的设备性能明显更好。同时，随着空化装置规模的增大，每程降解系数减小。类似地，Ranade等人采用四种不同规模的基于涡流的HC装置降解水中的二氯苯胺，并发现降解性能随着装置规模的增加而降低。他们根据实验数据，通过建立每次降解与喉径倒数之间的指数关系，量化了处理规模的影响，这对进一步的研究有很大的参考价值。

总之，尽管喉部速度等几何结构和操作参数相似，但不同规模的HC装置的性能有所不同。探索影响放大实验空化率的内在原因至关重要。用于解释规模影响的HC装置的空化泡动力学模型和详细的计算流体动力学模型对于提供放大指南和扩大HC装置在废水处理中的应用具有重要意义。值得注意的是，部分文献选择了每程降解因子而不是表观一级动力学常数来解释实验数据。他们指出，降解不是时间的函数，而是通过HC装置的次数。因此，每程降解系数更适合评估不同HC设备的性能。

2.5. 其他类型的HC反应器

除了这四种常见的HC反应器外，包括高压均质器、微流控器和旋转射流空化反应器在内的装置也能产生空化。然而，由于这些设备的一些局限性，例如更高的能耗和对设计参数的灵活性不足，关于这些设备的报道很少。Langone等人评估了Officine Parisi提出的新型水力反应器在废水处理厂中的应用。空化装置基于收缩的特定几何形状，可以产生液体的多维漩涡。空化装置的示意图如图6（a）所示。通过控制喷射件和孔板，在区域（i）内产生多个漩涡。然后，产生的漩涡场将在锥形截面（ii-iii）中加速。在扩散器截面（iii）中，空化效应将在水流汇集（vi）至流出管之前进一步发展。Mancuso等人采用了一种改进的旋转射流诱导反应器装置，名为Ecowirl，来降解RhB。图6（b）给出了Ecowirl反应器运行的示意图。该反应器的有效性与直径为40 mm的孔板和33个直径为2 mm的孔板进行了比较。在类似的操作条件下，与孔板相比，使用Ecowirl反应器可获得更高程度的降解。这是由于与孔板相比，Ecowirl反应器入口和下游之间的压降更大。此外，在相同操作条件下，Ecowirl反应器的空化率比孔板高1.3倍。其它文献中，基于喷嘴设计的空化射流装置被用于灭活人工和自然污染水中的大肠杆菌。喷嘴参数的详细信息如图7所示。结果表明，空化射流装置对人工和自然污染水中的细菌具有较高的灭活率。与其他流体动力过程相比，空化射流的效率更高，因为在短时间内液体中会产生高湍流和涡流，从而降低能耗，进而更有效地灭活水中可能存在的病原微生物。

图6 （a）空化设备的示意图；（b）Ecowirl反应器操作的示意图

图7 (a)空化形成示意图及喷嘴细节(b)其它文献

除了上面讨论的参数外，还有关于其他参数影响的文献报道。Lu等人研究了孔排布的影响。孔板的分布决定了空化云分布的均匀性，对空化效果有一定的影响。一般来说，对于相同数量和尺寸的孔，交叉孔排列系统的空化效果优于径向孔排列系统。Simpson和Ranade定量讨论了关键几何参数（如文丘里管喉部长度和扩散器角度）对空化起始和程度的影响。

2.6. 不同HC反应器的比较

为了更好地理解和更合理地使用各种类型的HC设备，必须对不同的HC反应器进行定量比较。然而，如果没有相同的基础，很难简单地比较不同研究中的不同反应器。对不同HC装置的污染物降解性能进行的系统比较相对较少。Simpson和Ranade综合比较了通过多相非定常计算流体力学（CFD）模拟与实验和数值研究方法设计的线性流和旋流空化装置。结果表明，文丘里管和涡流装置在比孔板装置更低的压力比下产生初始空化，并且通过使用直列式旋流器，空化区域可以从固体表面向装置轴线移动，而不会产生额外的压力损失。孔板和文丘里管的空化行为因其特殊的几何结构而不同。对于孔板而言，空化泡仅在孔边缘生长，而在文丘里管中，整个喉部充满空化泡。但孔板空化泡的坍塌强度高于文丘里管。因此，对于较温和的工艺（要求压力通常在15至20 Bar之间）和物理影响，文丘里管配置更合适且更节能，而孔板式HC装置建议用于剧烈的化学反应。此外，一些文献建议，对于孔板设置，具有相同自由流动面积的孔的数量和直径的优化应基于应用类型。对于需要更高空化强度的应用，如复杂化学品的破坏，使用较小数量的大直径设计。具有更多较小直径孔的板适用于要求相对较低强度的应用，例如废水消毒。Saharan等人比较了三种空化装置的空化率，包括单孔孔孔板、圆形文丘里管和狭缝文丘里管，其基于使用Orange-G染料作为待降解物提供的每单位能量减少的总有机碳（TOC）量。结果表明，与其他两种装置相比，狭缝文丘里管的降解率和空化率提高了近50%。Sarvothaman等人采用每程降解系数法系统地评估了五种不同类型HC装置（即孔口、旋流器和孔口、文丘里管、旋流器和文丘里管、涡流二极管）的污染物降解性能。可以看出，文丘里管的起始压降低于节流孔的起始压降。尽管如此，虽然设计不同，但这五种设备的降解性能都是可比的。此外，在研究压降的影响时，作者只研究了两种不同的压降：100kpa和200kpa，对更高压降的研究更好。Mishra和Gogate研究了两种不同的空化装置（即孔板和文丘里管）对罗丹明B降解的影响。与孔板相比，使用文丘里管可以在相似的工作压力水平下实现更高程度的降解。这是由于在相同的工作压力下，文丘里管的Cv较低，在空化区内的停留时间较长，孔数较高。然而，他们忽略了文丘里管和节流孔几何结构对空化行为影响的分析。必须对不同类型的HC装置进行更多的评估比较。

此外，应该认识到，不仅可以通过改变HC装置的几何参数来调整空化率，而且还可以受到各种操作参数的影响。优化关键操作参数是获得最大空化率的关键。

高级氧化技术连载系列：水力空化降解篇（一）

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