邢立艷 蒲俊文 徐 明，2 呂銘偉

(1北京林業(yè)大學 林木生物質化學北京市重點實驗室，北京市海淀區(qū)，100083 2北京中科奧倍工程科學研究院,北京市朝陽區(qū)，100000)

1 超聲波的理化性質

聲波是物體機械振動狀態(tài)（或能量）在傳導介質中傳播的形式。超聲波是指頻率在20 kHz以上的聲波，即質點每秒振動次數(shù)大于2萬次，超出一般人耳聽覺頻率上限（16 kHz）。超聲波在液體中傳播時，與傳播媒介的相互作用主要表現(xiàn)為：機械效應、熱效應和空化效應。

超聲波作用于傳導介質時，會引起質點高速振動，產(chǎn)生速度、加速度、聲壓、聲強等力學量的變化。當超聲波在不均勻介質中傳播時，各層介質物理性質不同，造成了層與層之間振動速度的不同，從而產(chǎn)生層間壓力的變化，引起超聲機械效應。

超聲熱效應是指超聲波在傳導介質中傳播時引起質點振動，由于傳播介質中存在著內(nèi)部摩擦現(xiàn)象，部分聲波能量會被周圍介質吸收轉化為熱能從而引起介質的溫度升高的效應，是機械能轉化為熱能的過程。超聲波在穿透兩種不同介質的分界面時，溫度的升高值更大。

空化效應是聲化學反應的主要作用之一。在這個過程中，當超聲波振幅足夠大時，在負壓區(qū)介質分子間的平均距離會超過液體分子的臨界距離，液體介質發(fā)生斷裂形成微泡，微泡繼續(xù)膨脹成為空化氣泡。當空化氣泡振動超出共振相位時，空化氣泡不再穩(wěn)定，急劇潰陷，同時會產(chǎn)生5000 K左右的高溫以及1800 atm左右的高壓等極端物理條件，該條件強化了傳質和傳熱的過程，提高了反應物分子的活性。同時，該效應在液體中形成了無數(shù)微小的、具有極端物化環(huán)境的化學反應器，這有利于化學鍵的斷裂、自由基的產(chǎn)生及相關反應?？傊暱栈奂晥瞿芰坎⑺查g釋放的一個極其復雜的物理過程[1]。

近年來超聲波技術已廣泛應用于化學 （如分析化學、物理化學、聚合物化學、電化學、光化學、環(huán)境化學等）、醫(yī)學、食品工業(yè)、工業(yè)焊接、廢水處理和材料改性等方面。大量的文獻報道和實驗結果表明：超聲波不僅可以改善反應條件，加快反應速度和提高反應產(chǎn)率，還可以使一些難以進行的化學反應得以進行，或開啟新的反應。

2 超聲波技術在制漿造紙行業(yè)的應用

2.1 超聲波制漿

超聲波制漿過程中以水作為超聲波傳導介質，利用超聲波的機械效應和空化效應對纖維原料進行沖擊、剝蝕，并基于超聲波的頻率特性對纖維素、半纖維素和木素成分進行選擇性作用，使纖維分離開來，從而完成制漿過程。

物質對超聲波的響應特性主要取決于物質的幾何尺寸、密度、結構等理化性質，纖維素、半纖維素與木素對超聲波作用的響應也各不相同。由于非木材原料胞間（ML）層和角隅層（CC）木素濃度高于細胞壁（S），因此選擇超聲工藝，可在微尺度范圍使胞間層及角隅層中木素集中受到超聲機械作用，即高強度剪切力的作用和侵蝕。同時超聲空化效應產(chǎn)生的微射流也對原料的木素組分產(chǎn)生強烈的破壞沖擊作用，加速木素的降解反應以及木素與纖維素結合鍵的斷裂。伴隨著部分木素小分子的溶出，原料細胞間先出現(xiàn)侵蝕裂紋，隨后沿纖維縱向分裂，最終纖維細胞互相分離而形成紙漿。

超聲波制漿反應過程中，空化效應會產(chǎn)生一系列活性自由基，主要為羥基自由基（HO·），它是一種單電子氧化劑，其氧化性僅次于F2，具有很強的親電性，能迅速與各種有機物和無機物反應，可以使木素結構單元的芳環(huán)發(fā)生氧化斷裂反應，從而除去發(fā)色基團，完成漂白脫色作用。在輔助脫木素的同時也起到了綠色環(huán)保漂白劑的作用，而不會產(chǎn)生任何可吸附有機鹵化物（AOX）、二噁英等持久性有毒有害污染物。

Levente Csoka,Attila Lorincz等[2]人利用超聲波與惰性氣體結合處理堿性蒽醌法紙漿，可以使紙漿中的殘留木素降低75%，抄紙的強度也提高了65%。

河南安陽華森紙業(yè)有限責任公司依靠自主創(chuàng)新研發(fā)的“超聲波制漿技術”，充分利用超聲波的技術特點對麥草進行處理，生產(chǎn)的麥草漿與傳統(tǒng)制漿方法生產(chǎn)的麥草漿相比，具有得率較高，光學、物理強度性能良好的特點。該技術的最大優(yōu)勢在于制漿與漂白同步進行，工藝流程簡單，投資及運行成本低，用水量少，節(jié)能減排，從源頭上消減了污染負荷[3]。

2.2 超聲波廢紙脫墨

超聲波的空化作用以及由此產(chǎn)生的乳化、分散以及滲透作用，使其在廢紙脫墨工業(yè)中得到一定的應用。超聲波乳化作用能降低水與油墨之間的界面張力，削弱了油墨與纖維之間的結合，并且超聲波處理可使油墨粒子自行碎解，再通過漂洗可達到脫墨效果，使油墨易于從纖維上分離。另外據(jù)研究表明：纖維在超聲處理后保水值增大，增加了纖維的細纖維化、柔韌性及可塑性，并且由于空化作用，使氫鍵暴露出來并且重新結合，使纖維間結合力增強，從而保證了脫墨漿成紙后的強度[4]。

張婷，金小娟等[5]人研究了超聲波廢紙脫墨的工作原理、特點及影響因素，表明超聲波應用于脫墨技術有很廣闊的前景，但由于當前缺乏適于工業(yè)化規(guī)模的有效設備，此技術還多局限于實驗室。

Anne C.Gaquere-Parker,Ayan Ahmed 等[6]人研究了溫度對超聲波廢紙脫墨的影響，經(jīng)實驗表明在15～45℃溫度范圍內(nèi)，紙張的亮度有所改善，并且在35℃時達到最佳效果。并且從紫外光譜可以看出，墨的化學結構從紙上解吸時發(fā)生了改變，但是不吸附在紙上的墨卻不會發(fā)生這樣的改變，這也再一次說明超聲波只對吸附在紙張上的墨水才有釋放作用。

2.3 超聲波打漿或紙漿處理

研究發(fā)現(xiàn)，用超聲波可產(chǎn)生與機械打漿、精漿相似的效果，可對纖維細胞壁產(chǎn)生位移、變形以及細纖維化等作用。這主要是由于超聲波空化產(chǎn)生的微射流對纖維的沖擊、剪切作用，使纖維細胞壁出現(xiàn)裂紋、發(fā)生位移和變形，初生壁和次生壁外層破裂脫除，次生壁中層暴露出來，或使纖維產(chǎn)生細纖維化。經(jīng)超聲波處理后，纖維的保水值增大，纖維的可及度和反應性能顯著提高。對于含有較多果膠質的纖維，利用超聲波進行預處理可以達到很好的脫膠效果。研究還發(fā)現(xiàn)，超聲對纖維表面有刻蝕作用，纖維比表面增大，大大增加了纖維的層間結合能力[7]。

利用超聲波處理麥草漿，測試了成漿的打漿度及酸不溶木素含量。將超聲波處理后的漿料及對照漿料抄片，測試了手抄片的抗張強度。描述了超聲波輔助改良的堿性制漿方法。結果顯示，草漿經(jīng)兩段超聲波預處理，可以使?jié){中殘余木素降低75%以上，草漿的打漿度在20 min內(nèi)可以從12°SR升高到 70 °SR，抗張指數(shù)提高 65%[8]。

2.4 超聲波廢水處理技術

國內(nèi)外研究表明，利用超聲波處理各種含氯廢水、有機廢水，都能達到很好的效果。超聲波廢水處理過程中，空化作用產(chǎn)生的局部高溫、高壓一方面可以對水中污染物直接產(chǎn)生熱降解作用。另一方面在產(chǎn)生的羥基自由基可在空化氣泡周圍界面或在氣泡界面區(qū)重新組合，也可與氣泡中揮發(fā)性溶質反應，甚至在溶液中與可溶性溶質反應，從而使常規(guī)條件下難處理的污染物得到降解。

2.4.1 制漿黑液的超聲波降粘技術

黑液具有膠體的特性[9-10]，黑液中的木素大分子間及大分子內(nèi)部極易通過氫鍵形成內(nèi)核緊密、表面松散的網(wǎng)狀結構，導致分子間磨擦力上升，黑液的粘度增加。當對黑液施加一定頻率和聲強的超聲輻射，利用空化泡崩裂時產(chǎn)生的高強流體剪切力破壞網(wǎng)狀物內(nèi)核，使絮聚團完全分散，并且超聲輻射使網(wǎng)狀結構絮聚物發(fā)生“液相燃燒”，拆散高分子間的鏈結，大大降低黑夜的粘滯力，從而達到降粘的目的[11]。

2.4.2 超聲波處理中段廢水

John H.Gibson，Darrell Hai Nien Yong 等[12]人對超聲波在污水消毒方面的應用進行了探討，認為使用超聲波可以有效減小懸浮顆粒的尺寸。超聲波作用于超聲波介質中，在空化泡破裂時，產(chǎn)生巨大的機械力，可以將懸浮顆粒破碎成小的碎片。胡蘭蘭，王三反等[13]人研究了超聲波及其聯(lián)用技術在廢水處理中的應用。探討了超聲波處理污水的機理以及影響其處理效果的因素，另外對超聲波與臭氧、H2O2等方法聯(lián)合使用的效果進行討論，表明超聲波可以有效地降解化學污染物，是一種環(huán)境友好處理技術，在廢水處理中有良好的應用前景。

莫立煥[14]利用超聲波和Fenton試劑對某廠生化處理后的竹漿中段廢水進行處理，結果表明，超聲波-Fenton試劑聯(lián)合處理的效果比兩者單獨處理效果之和還要好，超聲波頻率為28 kHz時的處理效果優(yōu)于超聲波頻率為15 kHz時的處理效果;廢水初始pH值為 3,Fe2+濃度為 60 mg/L，H2O2濃度為 2 mg/L，超聲時間7 min，中段廢水的脫色率為87.5%，色度指標明顯低于國家工業(yè)廢水一級排放標準;超聲波功率在200～1000 W范圍內(nèi)增大，有利于提高處理后中段廢水的脫色率和CODCr去除率。

2.5 超聲波清洗技術

超聲波清洗具有清洗凈度高、速度快和清洗均勻等特點。在精密零部件的清洗過程中,由于被清洗件為精密部件,要求既能夠均勻的清洗掉塵?；蝾w粒附著物、機油、水點等污物又不能對被清洗工件產(chǎn)生損傷，超聲波清洗成為能滿足其特殊技術的最佳的清洗方式[15]。

化學法制漿黑液堿回收蒸發(fā)過程中，黑液中含有的鈣、鎂、鋁、鐵、皂化物等鹽類雜質，容易沉淀在蒸發(fā)器管壁上形成管垢。通過超聲波作用，可以縮短溶液中晶體的成核誘導期，加速晶核的生長速度，迅速生成大量的微晶懸浮于溶液主體中，降低晶粒長大速度，減少成垢晶體的沉積量及降低沉積速度，預結晶的晶粒大量存在于溶液中，隨液流流走，起到防垢的作用。同時，超聲空化與機械作用使已沉積在管壁上的積垢溶解脫落，使超聲波防、除積垢裝置既能防止積垢形成，又能破壞已形成的積垢[16]。

H.M.Kyllonen,P.Pirkonen,M.NystrOm等[17]人研究了超聲波對膜過濾的增強作用。結垢是膜過濾的主要問題之一，利用超聲波的誘導效應，破壞了膜表面的濃度極化和濾餅層，從而使膜的通量增加；但是超聲波的空化作用，也可能將被污染的膜中的顆粒釋放出來。該論文對超聲波處理的一些參數(shù)如頻率、功率、進料性能、膜特性、交叉流速度、溫度和壓力進行討論，并且得出最佳參數(shù)。

2.6 超聲波檢測

超聲檢測技術是一種先進的無損檢測方法。主要是利用超聲波傳播過程中受材料本身或者內(nèi)部缺陷的聲學性質的影響，以非破壞性的方式探測出試件的表面或者內(nèi)部缺陷（如氣泡、裂紋、密度等）的形狀、大小以及分布情況。

2.6.1 測定漿料或白水的濃度

超聲波傳播的方向性很好，尤其在液體和固體中傳播時衰減很小，超聲波遇到雜質時會受到雜質的散射和吸收，碰到媒質分界面時有顯著的反射，利用這些特性，可以通過測量一定能量超聲波在固體懸浮物的液體中傳播時的衰減量，間接得到液體中固體懸浮物的含量，由此可以測定和控制漿料或白水的濃度。

據(jù)此原理生產(chǎn)的超聲波流量計、超聲波料位儀等具有反應靈敏、測量精度高、對人體沒有傷害等優(yōu)點[18]。

2.6.2 測定紙頁施膠度

當干紙頁浸漬于水中時，纖維空隙內(nèi)及孔隙間的空氣很快被水置換，超聲波可以有效地測定連續(xù)介質中的空隙或夾雜物，因為空氣的聲抗比水小得多，因此超聲波對少量水的空氣很敏感。采用超聲波可以通過紙頁的衰減百分數(shù)來測定紙頁的施膠度[19]。

2.6.3 測器壁或紙張厚度

超聲波在各種介質內(nèi)的傳播速度不同，據(jù)此原理研制的測厚儀可以用來測量材料的壁厚。造紙行業(yè)的壓力容器如蒸鍋、烘缸、鍋爐等的安全運行關系到企業(yè)的正常安全生產(chǎn)。超聲波測厚儀可以檢查材料中是否有氣泡、裂紋、或者材料壁厚是否已經(jīng)降低到安全允許值以下[20]。

楊幸芳，徐宏偉等[21]人設計了基于超聲波的空雙張在線檢測系統(tǒng)，通過利用超聲波檢測紙張厚度的方法，克服了傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)不能定量檢測的缺點，且在檢測不同厚度紙張時，無需復雜的機械調(diào)節(jié)，只需在程序中改變參數(shù)；實現(xiàn)了印刷控制中高精度檢測的標準化、數(shù)字化。在減輕工人勞動強度的同時，提高了現(xiàn)代膠印機的工作性能及可靠性。

2.6.4 測量紙和紙板的抗張挺度

在一種材料中，超聲波脈沖的傳播速度依賴于該材料的彈性性質，一種材料的抗張挺度指數(shù)與該材料中超聲波脈沖傳播速度的平方成正比。脈沖發(fā)生器發(fā)出一個超聲波信號，通過紙張送到對面的接收器，通過傳感器和接收器之間的距離以及傳播時間就可以知道超聲波在該材料中的傳播速度，進而得到材料的抗張強度指數(shù)。[22]利用超聲波直接測定紙品的抗張挺度取向 (TSO)及縱橫向的抗張挺度(TSI)，其檢測過程無創(chuàng)傷、快速，測定結果直接、準確，是應用日益廣泛的一種新型檢測技術。

2.6.5 檢測紙頁挺括性

紙頁挺括性是紙頁的一個重要的彈性強度指標，具體體現(xiàn)在紙頁的抗張強度、撕裂度、耐折度及挺度等物理性質的縱橫差異。用超聲波測量不同紙頁的挺括性，可以預見在生產(chǎn)和使用過程中紙頁質量存在的一些問題，并提出改進措施。對提高產(chǎn)品質量具有現(xiàn)實意義。鐘波，王順利等人利用超聲波檢測紙頁的挺括性，分析了紙頁挺括性的特征以及超聲波用于無損檢測的原理，提出了一種利用超聲波檢測紙頁挺括性的方案，實驗結果表明，利用超聲波檢測紙頁的挺括性，對改進紙頁的質量具有重要的參考價值[23]。

3 總結與展望

超聲學是一門應用性和邊緣性很強的學科，從一百多年來的發(fā)展可以看出，它是隨著在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學、基礎研究等領域中應用的不斷深入而得到發(fā)展的。顯然，超聲技術具有十分廣闊的應用前景，其核心部件是超聲換能器，它對超聲技術的發(fā)展起到關鍵作用。近年來，隨著壓電材料的發(fā)展，功率超聲換能器的功率已經(jīng)有了顯著提高。目前，功率超聲典型的應用有超聲清洗、超聲乳化、聚焦超聲、超聲焊接等等。同時，隨著環(huán)境問題的日益突顯，超聲技術也正在逐步進入環(huán)保行業(yè)如超聲廢水處理、超聲污泥處理等等。

超聲波技術仍是一門年輕的學科，它不斷借鑒電子學、材料科學、光學、固體物理等其他學科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。其中存在著許多尚待深入研究的問題，對許多超聲應用的機理還未徹底了解，況且實踐還在不斷地向超聲學提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都已表明了超聲波技術是在不斷向前發(fā)展的。

超聲波技術正在與其他行業(yè)進行融合，形成跨學科、跨行業(yè)的新興技術。在造紙工業(yè)中，超聲波技術要實現(xiàn)工業(yè)化應用，關鍵是優(yōu)化超聲反應器的設計與合理配置。如何改進配置結構，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高效率，降低成本，是超聲波技術在制漿造紙工業(yè)的推廣與應用中必須要解決的一個問題。隨著廣大造紙工作者的努力，超聲波技術在造紙工業(yè)中會得到更廣泛的應用。

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