專利名稱：利用功率超聲處理有機廢水的頻率效應(yīng)研究裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種聲化學(xué)及環(huán)保領(lǐng)域的科研開發(fā)設(shè)備，特指以聲空化效應(yīng) 為原動力、在嚴(yán)格聲學(xué)、電學(xué)條件下以研究功率超聲處理酚類或染料有機廢水的 降解效果與功率超聲頻率之間關(guān)系的頻率效應(yīng)研究裝置。
背景技術(shù)：
水資源是維系人類生存和發(fā)展的重要資源之一。近年來，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展 過程中工業(yè)化程度的提高，各類工業(yè)廢水被大量排放到自然界中，給人類的生存 環(huán)境和健康帶來了嚴(yán)重威脅。尤其是含苯酚、對硝基苯船、對氯苯酚等不易降解 的酚類有機廢水和染料有機物廢水被人體吸收后容易產(chǎn)生"致癌、致畸形、致基 因突變"的"三致"危害，是嚴(yán)重威脅人類健康的殺手。超聲水處理技術(shù)是近年 來發(fā)展起來的一項新型水處理技術(shù)，它利用功率超聲作用液體媒質(zhì)時產(chǎn)生的空化 效應(yīng)來降解水中的有機污染物。該技術(shù)集高級氧化、熱解、超臨界氧化等技術(shù)于 一體，操作簡單方便，降解速度快，可單獨使用或與其他水處理技術(shù)聯(lián)合使用， 具有極大潛力和良好應(yīng)用前景。
超聲水處理是一項涉及聲學(xué)、化學(xué)、電學(xué)等多學(xué)科交叉融合的新技術(shù)。由于 從事該項研究工作的大多是化工、環(huán)境領(lǐng)域的專家學(xué)者，所以對溶液的pH值、 初始濃度、反應(yīng)溫度等化學(xué)參數(shù)對降解效果的影響機理已進行了深入地研究，但 對超聲頻率、聲功率/聲強以及聲化學(xué)反應(yīng)器中的聲場分布等聲學(xué)參數(shù)缺乏足夠 的研究。大量的實驗結(jié)論表明，超聲頻率是影響超聲水處理降解效果的重要參數(shù) 之一。超聲波的頻率范圍為20kHz-1000MHz，而通常用于水處理的超聲頻率為 20kHz-2MHz。超聲波在低頻時，空化泡少但直徑大，空化泡有明顯的生長、崩 潰過程，空化核在稀疏階段達到共振半徑時首先強烈振蕩，而后瞬間發(fā)生塌縮崩 漬，因而爆破更加猛烈；在高頻時，空化泡的形成和崩潰變得更快，產(chǎn)生的自由 基更容易進入液相主體中，但聲學(xué)周期短，空化泡直徑小，空化極限大但強度弱。 因此對于以熱解為主的聲解反應(yīng)，當(dāng)聲強大于空化閾值時，隨著頻率的增大，聲 周期縮短，空化泡數(shù)目增多，聲解效率提高；而對于以自由基氧化為主的降解反 應(yīng)，當(dāng)超聲頻率較高時，則空化泡粒徑小，空化強度減弱，聲解效率反而降低。 因此，對含不同有機物的有機溶液其對應(yīng)的最佳超聲降解頻率也不同。正是基于以上原因，聲化學(xué)反應(yīng)中的"頻率效應(yīng)"研究受到了越來越多學(xué)者的重視。
所謂"頻率效應(yīng)"是指在保證聲功率、聲強等聲場參數(shù)相同的條件下，僅因 頻率不同的超聲波對聲化學(xué)產(chǎn)額的影響。目前國內(nèi)外學(xué)者在進行超聲水處理技術(shù) 的研究過程中，主要用頻率固定或頻帶很窄的超聲源針對模擬的酚類污染水體和 染料廢水進行降解作用，雖然能得到該水體在很窄頻帶內(nèi)降解效果的頻率效應(yīng)或 少量固定頻率對該水體降解效果的時間效應(yīng)，但這些有限的數(shù)據(jù)對研究超聲處理 廢水的物理機理是遠遠不夠的。 一般來說，超聲輻照在處理不同物質(zhì)的廢水過程 中存在使空化效應(yīng)最強的一個或多個頻率或頻段。頻率因素是影響超聲水處理效 果的重要因素，與影響處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，涉及利用超聲進行水處理的方法和裝置已公開的專利申請有1、申
請?zhí)枮?00410004355.4，名稱為"超聲波強化污水生物處理方法"。2、申請?zhí)?為200320126506.4，名稱為"超聲波水處理系統(tǒng)"。3、申請?zhí)枮?00610046997.X，
名稱為" 一種高效原油脫水處理系統(tǒng)及脫水處理方法"。這三種專利申請都是利 用超聲單獨和超聲聯(lián)合其他技術(shù)進行水處理的方法或裝置，但作為研究和開發(fā)這 些方法或裝置的重要基礎(chǔ)設(shè)備，即頻率效應(yīng)研究裝置尚未見報道。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種水處理聲反應(yīng)器的 頻率效應(yīng)研究裝置，可幫助這一領(lǐng)域中研究者提高研究效率，加快推廣應(yīng)用這一 新技術(shù)的步伐。
本實用新型采用的技術(shù)方案是將超聲波信號發(fā)生器連接到聲反應(yīng)器，聲反 應(yīng)器包括容器和其中的有機廢水，在容器的下底部固定換能器，信號發(fā)生器的輸 出連接功率放大器，功率放大器與數(shù)字示波器并聯(lián)后連接到換能器的輸入端。
在容器的兩側(cè)分別開有冷卻水進口和冷卻水出口 ，在容器的上部向下插有溫 度計于有機廢水中。
本實用新型將超聲波信號發(fā)生器產(chǎn)生的超聲能量輸送到聲反應(yīng)器的酚類或 染料有機廢水中，可根據(jù)超聲水處理的參數(shù)要求，在聲功率、聲強等聲場參數(shù)相 同的條件下，研究頻率對降解效果的影響，通過采用曲線擬合的方式對實驗數(shù)據(jù) 處理后，可完整地得出降解不同廢水所對應(yīng)的超聲頻率的關(guān)系譜圖，頻帶足夠?qū)?并可調(diào)、裝卸簡易、操作方便，能更好地提高研究效率。
本實用新型的優(yōu)點為(1) 可在200kHz-1.5MHz的頻率范圍內(nèi)進行10個采樣點(200、 300、 350、 400、 500、 600、 800kHz禾口l、 1.2、 1.5MHz)的頻率效應(yīng)研究，具有采樣點多， 頻帶寬的特點。
(2) 對所取的有機廢水利用紫外分光光度計進行檢測，能通過樣品吸光度 的變化得出溶液濃度的變化，通過利用先進的數(shù)據(jù)處理軟件得出溶液的濃度變化 規(guī)律。
(3) 嚴(yán)格了聲學(xué)和電學(xué)條件，便于開展超聲水處理技術(shù)的研究人員在進行 頻率效應(yīng)研究中進行重復(fù)實驗，提高了實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
(4) 由壓電陶瓷片換能器制成的聲化學(xué)反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便， 便于拆卸與更換等特點，能大大降低實驗過程中由換能器老化帶來的更換成本。以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細說明。


圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)連接示意圖。
具體實施方式
如
圖1所示，本實用新型主要包括超聲波信號發(fā)生器1和所連接的聲反應(yīng)器 兩部分，聲反應(yīng)器又包括容器9和其中的有機廢水6。在容器9的下底部固定換 能器8，信號發(fā)生器l的輸出連接高頻寬帶功率放大器2，功率放大器2與數(shù)字 示波器3并聯(lián)后連接到換能器8的輸入。在容器9的兩側(cè)分別開有冷卻水進口 4 和冷卻水出口 7，在容器9的上部向下插有數(shù)字溫度計5于酚類或染料有機廢水 6中。
下表所示是本實用新型所選用的各器件的主要參數(shù):
器件或裝置主要參數(shù)要求
信號發(fā)生器l頻率范圍10mHz-15MHz，幅值可調(diào)
高頻寬帶功率放大器2工作頻率為0.02-6MHz, 50歐姆負載時最高 輸出功率603W
不同諧振頻率的系列換能器8反應(yīng)器為圓柱形，內(nèi)徑50mm，內(nèi)置樣品有 效容積為80ml
上表中的功率放大器2需具備工作頻率高、頻帶寬且可調(diào)、帶負載能力強、 工作過程中能顯示輸入功率(FP)、負載功率(LP)和反射功率(RP)。換能器8均由壓電陶瓷片自制而成。在自制的過程中需保證以下條件1、用來制作反應(yīng) 器的不同頻率的圓柱形壓電陶瓷片除厚度不同以外，截面直徑完全相同，且均源 自加工定型中的同一批次的產(chǎn)品。2、在將壓電陶瓷片制作成反應(yīng)器時，保證反 應(yīng)器的外型參數(shù)完全一致。3、利用反應(yīng)器進行實驗研究前需重新測定反應(yīng)器的 諧振頻率。
本實用新型工作時根據(jù)每個聲化學(xué)反應(yīng)器的諧振頻率設(shè)定信號發(fā)生器l的輸
出信號頻率和幅值，將信號發(fā)生器1輸出的信號輸入到高頻寬帶功率放大器2中， 通過調(diào)節(jié)功放的輸出功率驅(qū)動由壓電陶瓷片制成的聲化學(xué)反應(yīng)器進行有機廢水6 的降解。在此過程中，通過數(shù)字示波器3觀測換能器8兩端的波形情況，其中循環(huán) 冷卻水和數(shù)字溫度計5起到調(diào)節(jié)和監(jiān)控反應(yīng)溶液溫度的作用。
為保證本實用新型所得數(shù)據(jù)的正確性和穩(wěn)定性，更應(yīng)作到1、由于換能器8 的壓電陶瓷片在使用一段時間后會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致聲化學(xué)反應(yīng)器的諧振 頻率會出現(xiàn)漂移，這一點可通過數(shù)字示波器3所顯示的電壓波形看出來，若出現(xiàn) 這種現(xiàn)象需及時更換換能器8并重新進行調(diào)諧；2、為保證樣品濃度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性， 取樣前要在反應(yīng)器中攪勻有機廢水溶液，并保證每次在反應(yīng)器的同 "空間位置取 液，取多次求平均值；3、由于頻率效應(yīng)還與換能器8兩端的波形有關(guān)，還需通過 示波器3實時觀測換能器8兩端的波形，保證每個頻率點的波形在放大過程中相同 且不失真。
權(quán)利要求1. 一種利用功率超聲處理有機廢水的頻率效應(yīng)研究裝置，將超聲波信號發(fā)生器(1)連接到聲反應(yīng)器，聲反應(yīng)器包括容器(9)和其中的有機廢水(6)，其特征是在容器(9)的下底部固定換能器(8)，信號發(fā)生器(1)的輸出連接功率放大器(2)，功率放大器(2)與數(shù)字示波器(3)并聯(lián)后連接到換能器(8)的輸入端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用功率超聲處理有機廢水的頻率效應(yīng)研究 裝置，其特征是在容器(9)的兩側(cè)分別開有冷卻水進口 (4)和冷卻水出口 (7)， 在容器(9)的上部向下插有溫度計(5)于有機廢水(6)中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用功率超聲處理有機廢水的頻率效應(yīng)研究 裝置，其特征是有機廢水(6)為一定濃度的苯酚、對硝基苯酚、對氯苯酚和 染料的模擬廢水。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用功率超聲處理有機廢水的頻率效應(yīng)研究 裝置，其特征是功率放大器(2)為高頻寬帶功率放大器，工作頻率為0.02-6MHz， 50歐姆負載時最高輸出功率603W。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用功率超聲處理有機廢水的頻率效應(yīng)研究 裝置，其特征是由換能器(8)和容器(9)構(gòu)成的聲反應(yīng)器時，換能器(8) 采用的是相同截面積、不同厚度、同批次生產(chǎn)的壓電陶瓷片，容器(9)由相同 外殼及背襯材料構(gòu)成。
專利摘要本實用新型公開了一種利用功率超聲處理有機廢水的頻率效應(yīng)研究裝置，包括將超聲波信號發(fā)生器連接到聲反應(yīng)器，聲反應(yīng)器包括容器和其中的有機廢水，在容器的下底部固定換能器，信號發(fā)生器的輸出連接功率放大器，功率放大器與數(shù)字示波器并聯(lián)后連接到換能器的輸入；在容器的兩側(cè)分別開有冷卻水進口和冷卻水出口，在容器的上部向下插有溫度計于有機廢水中；本實用新型可根據(jù)功率超聲處理酚類有機廢水的參數(shù)要求，在相同聲功率條件下研究功率超聲頻率對降解效果的影響，通過采用曲線擬合的方式對實驗數(shù)據(jù)處理后，可完整地得出降解不同廢水所對應(yīng)的超聲頻率的關(guān)系譜圖，頻帶足夠?qū)挷⒖烧{(diào)、裝卸簡易、操作方便，能更好地提高研究效率。
文檔編號C02F1/36GK201232037SQ20082011727
公開日2009年5月6日 申請日期2008年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日
發(fā)明者倪才華, 單鳴雷, 振 張, 朱昌平, 建 李, 段紅恩, 王瑞華, 韓慶邦, 波 黃 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)