楊富幫，阮孝慈，王鵬飛，鄧 宇

（天津科技大學化工與材料學院，天津 300457）

聲波沉降工藝研究

楊富幫，阮孝慈，王鵬飛，鄧 宇

（天津科技大學化工與材料學院，天津 300457）

設(shè)計單因素實驗和正交實驗，以高嶺土沉降為研究對象,分析實驗中聲波頻率、聲場中聲壓級和作用時間對高嶺土沉降的影響。結(jié)果表明，高嶺土的沉降效果隨聲波頻率、作用時間增大而減小，但在不同聲壓級沉降效果在一定范圍波動，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115 dB，作用時間30 min。

高嶺土；聲波；沉降工藝

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進程和工業(yè)化的加快，每年的污水排放量都在增長，單純的城市污水排放量就達到每年420億t[1]，排放大量未處理的城市污水對我國的水資源產(chǎn)生嚴重的污染。污水處理涉及到環(huán)境、經(jīng)濟和資源的可持續(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，操作簡單，設(shè)備簡易等優(yōu)點倍受關(guān)注，許多科學家在研究此技術(shù)[2]。1926年，著名物理學家伍德研究了超聲波在介質(zhì)中的震動性質(zhì)，引起了轟動并且使許多科學家開始研究聲波[3]。到了1931年，帕特森和卡伍德研究以空氣為介質(zhì)的聲波團聚方法，并且通過其研究表明，在駐波節(jié)點上有懸浮顆粒團聚，并稱此現(xiàn)象為聲波團聚現(xiàn)象[4]。聲波與物質(zhì)分子的作用，主要是聲空化作用、機械作用以及熱作用[5]。

當前世界范圍內(nèi)聲波團聚的研究機構(gòu)主要包括美國賓州州立大學的研究小組[6-7]、美國紐約布法羅大學的研究小組[8-9]等。聲波團聚的基本原理可表述為利用高強聲場促進顆粒的相對運動以至碰撞，顆粒碰撞后很可能會黏結(jié)形成更大粒徑的顆粒[10]。

本文設(shè)計單因素實驗和正交實驗，以高嶺土沉降為研究對象，分析實驗中聲波頻率、聲場中聲壓級和作用時間對高嶺土沉降的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

實驗儀器：標智GM1356噪音計，深圳市佳利正宏電子有限公司；XFD-7A型低頻信號發(fā)生器，天津市第二電子儀器廠；SYJ-IA型DSP教學功率放大器，北京市三雅誠信系統(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。

實驗試劑：高嶺土，精細化工研究室提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 高嶺土溶液配制

在本實驗中，主要研究聲波頻率、聲壓級和作用時間對高嶺土沉降的影響；首先取400 mL蒸餾水，加入高嶺土9.19 g，在常溫下對高嶺土進行溶解，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。準備7個100 mL的同樣材質(zhì)燒杯，每個倒入80 mL的高嶺土稀釋液。前5個用于聲波沉降實驗，第6個用于自然沉降實驗，第7個用于測量原始濁度。

1.2.2 聲波頻率對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，測其初始濁度在一確定的值下，測量過程中控制聲壓級和作用時間相同，改變聲波頻率，在相同實驗情況下檢測濁度隨頻率的變化特點，得出最佳沉降頻率。

1.2.3 聲壓級對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間，考察不同聲壓級對沉降效果的影響，得出最佳沉降聲壓級。

1.2.4 作用時間對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，測其初始濁度在一確定的值下，在最佳聲波頻率和聲壓級下，考察不同作用時間對沉降效果的影響，得出最佳沉降時間。

1.2.5 沉降工藝正交實驗

在單因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上進行正交實驗，對聲壓級、頻率和作用時間3個因素，每個因素取3個水平，采用L9（34）正交表進行實驗，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 聲壓級隨位置的變化

由于聲級計的量程范圍是30～130 dB，所以要根據(jù)管內(nèi)外差值來測量聲壓級，為了便于測量并減少實驗對測量產(chǎn)生的誤差，測量聲室內(nèi)聲壓級時要多測量幾次，取平均值，然后加上管外聲壓級值就是管內(nèi)聲壓級值。實驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 管內(nèi)外聲壓級差值

另外需要考慮的是聲波室內(nèi)隨著距離而發(fā)生的聲壓級衰減問題。由于在聲波室內(nèi)形成的是駐波聲場，為了比較聲壓級隨距離變化而發(fā)生的變化情況，只對比各頻率聲波在波腹和波節(jié)處的聲壓級。本實驗以揚聲器為初始位置，單位為mm。其中用于測量聲壓的聲級計型號為標智GM1356噪音計。實驗結(jié)果如圖1所示 （其中，B：初始聲壓級118 dB，C：初始聲壓級122 dB，D：初始聲壓級128 dB）。

從圖1中可以看出，隨著距離遠離揚聲器，聲壓級數(shù)并沒發(fā)生明顯的減小或增大，表明在聲場中并沒有產(chǎn)生明顯的衰減效應。所以在后續(xù)的實驗過程中，可以不考慮微小距離帶來聲壓級的變化。

2.2 聲波頻率對沉降效果的影響

實驗條件：將聲壓級控制在100 dB，聲波頻率為600、1 400、2 200、3 000、3 800 Hz，作用時間為 20 min，在不同的頻率下用AQ2010濁度儀測其濁度?？疾觳煌l率對除塵效果的影響，結(jié)果如圖2。其中，實驗中設(shè)置的空白濁度見表2。

圖1 聲壓級隨位置的變化

表2 初始和穩(wěn)定的濁度

圖2 聲波頻率對沉降效果的影響

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，在頻率為2 000～3 000 Hz時，濁度下降速度較快，在此階段頻率下，高嶺土發(fā)生較快團聚作用。從圖中數(shù)據(jù)可以得出，頻率在3 000 Hz濁度最小。實驗中濁度最小表示沉降效果最好，所以，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)最佳聲波頻率為3 000 Hz。

2.3 聲壓級對沉降效果的影響

實驗條件：將聲波頻率控制在3 000 Hz，聲壓級為 80、90、100、110、120、130 dB，作用時間為 20 min，在不同的聲壓級作用下用AQ2010濁度儀測其濁度。考察不同聲強對除塵效果的影響，結(jié)果如圖3。其中，實驗中空白濁度見表3。

表3 初始和穩(wěn)定的濁度

圖3 聲壓級對沉降效果的影響

根據(jù)圖3中數(shù)據(jù)可知，濁度隨著聲壓級的增大，其呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，從圖中數(shù)據(jù)可以得出聲壓級在110 dB時濁度最小。在聲壓級較強時會不利于高嶺土的團聚。所以，最佳聲壓級為110 dB。

2.4 作用時間對沉降效果的影響

實驗條件：將聲波頻率控制在3 000 Hz，聲壓級控制在 110 dB， 作用時間為 10、15、20、25、30、35 min，在不同作用時間下用AQ2010濁度儀，測其濁度。考察不同作用時間對除塵效果的影響，結(jié)果如圖4。其中，實驗中空白濁度見表4。

表4 初始和穩(wěn)定的濁度

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

2.5 高嶺土沉降的正交實驗

依據(jù)高嶺土沉降的單因素實驗結(jié)果，確定正交實驗因素及水平見表5，正交實驗結(jié)果見表6。

表5 正交實驗因素及水平表

表6 正交實驗結(jié)果

表7 重復性實驗及結(jié)果

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

圖4 作用時間對沉降效果的影響

由表7可知，在最優(yōu)條件下實驗結(jié)果相對穩(wěn)定。

3 結(jié)論

利用聲波技術(shù)對高嶺土進行沉降研究，設(shè)計單因素實驗和正交實驗分析聲波頻率、聲壓級、作用時間對高嶺土沉降影響，其影響主次順序為聲壓級、聲波頻率、作用時間，得最佳工藝參數(shù)為：聲壓級115 dB，頻率 3 000 Hz，作用時間 30 min。

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10.13752/j.issn.1007-2217.2017.04.007

2017-08-18