張昆明 陸小菊 黃永春 楊鋒 黃承都 任仙娥 黃瓊

摘要：水力空化作為液體特有的現(xiàn)象，其本質(zhì)屬于相變過(guò)程，相變產(chǎn)生的空化泡在潰滅瞬間引起的空化效應(yīng)，除廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域外，還被用于生物資源領(lǐng)域中.文章對(duì)水力空化的概念、優(yōu)點(diǎn)、產(chǎn)生機(jī)理和空化判據(jù)，及其近年來(lái)在生物資源領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用新進(jìn)展等進(jìn)行了概述；最后提出，水力空化相比于超聲空化能耗更低、能效更高和規(guī)模放大更易，其作為一種新型過(guò)程強(qiáng)化手段在生物資源領(lǐng)域的應(yīng)用是其重要的研究方向，同時(shí)也將具有更廣闊的的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：水力空化；生物資源；過(guò)程強(qiáng)化

0引言

空化是液體特有的現(xiàn)象，是一種在常溫下就能發(fā)生的物理過(guò)程，屬于工程科學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一，迄今已有100多年的歷史，1893年，英國(guó)海軍的一條驅(qū)逐艦和汽輪機(jī)船先后在航行中突然發(fā)生航速下跌，檢查發(fā)現(xiàn)螺旋槳槳葉被擊穿損壞，后來(lái)發(fā)現(xiàn)是螺旋槳上產(chǎn)生空化泡的原因，這是人們對(duì)空化的第一次感性認(rèn)識(shí)，隨后，1897年英國(guó)Barnaby等一起研究船舶螺旋槳推進(jìn)效率嚴(yán)重下降的原因，將擊穿螺旋槳槳葉的這種水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象定義為空化（cavitation），這是歷史上第一次提出“空化”這個(gè)概念，此后，業(yè)內(nèi)把液體內(nèi)局部產(chǎn)生壓降或處于低壓時(shí)，在液體自身內(nèi)部或在液體與固體界面上發(fā)生液體與其蒸汽之間的相變過(guò)程，即空化泡的生長(zhǎng)、發(fā)展和潰滅的過(guò)程與現(xiàn)象稱為空化。

空化產(chǎn)生的方式可以是多樣的，一般根據(jù)其產(chǎn)生的方式可分為聲致空化、水力空化、光致空化、粒子空化4種類型，其中，超聲空化和水力空化二者以其簡(jiǎn)易的操作以及易于在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，成為業(yè)內(nèi)學(xué)者們廣為采用的兩種空化研究手段.超聲空化作為一種典型的空化類型，其空化過(guò)程能量分布集中、空化效應(yīng)劇烈，在細(xì)胞破碎、超聲乳化、超聲萃取、有機(jī)物降解等諸多領(lǐng)域都已取得了不少研究成果.但是，工業(yè)化實(shí)現(xiàn)難度大是超聲空化的最大弊端，這主要是由于其總能耗中僅有5%～10%用于空化效應(yīng)，能量利用率低，且其產(chǎn)生的空化效應(yīng)只發(fā)生在超聲變幅桿換能器附近很小的區(qū)域內(nèi)，形成非均勻的局部強(qiáng)化場(chǎng)，使其應(yīng)用范圍和應(yīng)用規(guī)模受到了很大地限制，因此，水力空化開始成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn).水力空化過(guò)程中，由于節(jié)流元件引起的壓降促使空化泡的產(chǎn)生，形成液體一空化泡二者一起隨流體輸送的方向作整體運(yùn)動(dòng)，因而空化泡分布范圍更寬且更為均勻，避免了超聲空化產(chǎn)生的空化泡在狹小區(qū)域內(nèi)過(guò)于集中的缺陷，從而可在液體較大區(qū)域范圍內(nèi)形成一個(gè)比較均勻的空化強(qiáng)化場(chǎng)，并且具有簡(jiǎn)便易行、能耗低、能效高和易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；葍?yōu)點(diǎn)，這是其工業(yè)化應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)所在。

1水力空化產(chǎn)生的機(jī)理

水力空化僅在流動(dòng)的液體中發(fā)生，且發(fā)生場(chǎng)合是多樣的，例如管道內(nèi)徑突然急劇收縮、管道中流體流速突然改變等.這是由于在天然狀態(tài)的液體中，含有大量外徑約為10^-4_10cm的極微小空泡，即氣核或空化核，這些氣核或空化核通常情況下肉眼是看不見的.當(dāng)管道內(nèi)流動(dòng)的液體由于節(jié)流現(xiàn)象引起液體內(nèi)部壓強(qiáng)降低時(shí)，空化的初生首先從氣核開始，然后膨脹長(zhǎng)大，形成了肉眼可見的、直徑較大的空化泡，此時(shí)在壓強(qiáng)降低區(qū)域形成液體一空化泡（氣體）的“兩相流”運(yùn)動(dòng)，當(dāng)夾帶空化泡的液體“兩相流”流經(jīng)管道壓力突然增大之處時(shí)，空化泡體積將急劇縮小、并發(fā)生潰滅（恢復(fù)到氣核），并在其周圍狹小的空間范圍內(nèi)產(chǎn)生高溫（1000℃-5000℃）、瞬時(shí)高壓（1-50 MPa）等極端環(huán)境效應(yīng)，即形成“熱點(diǎn)”，并伴有強(qiáng)烈的沖擊波、微射流和劇烈湍動(dòng)等機(jī)械效應(yīng)，同時(shí)水溶液可產(chǎn)生羥自由基（OH）等活化效應(yīng)，以上效應(yīng)即為水力空化產(chǎn)生的空化效應(yīng).

液體內(nèi)部本身存在的氣核因外界壓力的改變而長(zhǎng)大或縮小，這些屬于表觀上的空化泡，但空化的本質(zhì)是相變過(guò)程，是液體與其蒸汽之間的相變.空化泡的產(chǎn)生是由于液體內(nèi)部局部壓力降低至或低于液體的飽和蒸氣壓時(shí)，突然引起液體發(fā)生“沸騰”轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，屬于一個(gè)汽化過(guò)程盼，在研究中，水力空化通常可以這樣實(shí)現(xiàn)：將流體通過(guò)一個(gè)具有局部收縮的節(jié)流元件，比如文丘里管、幾何孔板等，此時(shí)流經(jīng)節(jié)流區(qū)域的液體內(nèi)部產(chǎn)生壓降，并引起節(jié)流區(qū)域內(nèi)的液體流速陡然增大，當(dāng)節(jié)流區(qū)域內(nèi)液體內(nèi)部局部壓力降低至液體的飽和蒸汽壓，甚至低于其飽和蒸汽壓時(shí)，液體中夾帶的氣核將膨脹長(zhǎng)大形成空化泡并得到釋放，同時(shí)液體自身也會(huì)發(fā)生汽化相變，產(chǎn)生大量的空化泡，從而形成液一汽兩相流，兩相流遇到周圍壓力增大時(shí)，其夾帶的空化泡體積將急劇縮小直至潰滅[關(guān)于空化的形成機(jī)理，目前主要有核子理論和理想球型空泡動(dòng)力學(xué)兩種.

1.1核子理論

1947年，Harvey率先提出了空泡核子理論，該理論認(rèn)為：氣體核子是水中固體顆?；蚶@流物體表面縫隙中未被溶解的氣體，而這些固體表面是疏水親油的，這使得在物體表面縫隙中的氣體形成一個(gè)凹面的自由表面.此時(shí)當(dāng)縫隙成圓錐形時(shí)，凹形的自由表面的接觸角將>90°，在表面張力的作用下將阻止液體進(jìn)入縫隙，從而防止了縫隙中的氣體發(fā)生溶解.Harvey假說(shuō)具有普適性，可用于解釋觀察到的所有空化現(xiàn)象，并且已有研究證實(shí)了氣核的存在。

1.2理想球型空泡動(dòng)力學(xué)

1917年，Rayleigh研究單個(gè)空泡的運(yùn)動(dòng)特性及其有關(guān)動(dòng)力變化過(guò)程，其根據(jù)能量平衡規(guī)律，建立了理想球型空泡動(dòng)力學(xué)方程，并提供了方程的理論解，但當(dāng)空泡完全潰滅時(shí)，方程導(dǎo)出的結(jié)果為潰滅壓強(qiáng)為無(wú)窮大，這實(shí)際上是不可能的，但這為空泡動(dòng)力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，隨后，Plesset等考慮液體中空泡變化過(guò)程的實(shí)際情況（比如：液體的粘度），做了一些改進(jìn)，從而使球型空泡動(dòng)力學(xué)理論得到補(bǔ)充和完善.隨著研究的不斷深入，空化理論也逐步得到完善。

2水力空化的判據(jù)

水力空化實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的一個(gè)重要前提，就是必須使流體產(chǎn)生空化現(xiàn)象，但如何去判斷管道中的流體在一定的工程背景條件下能夠發(fā)生，這是需要解決的一個(gè)問(wèn)題.從水力空化的產(chǎn)生機(jī)理可知，影響空化發(fā)生的因素是多樣的，比如：流體流速、流體溫度、環(huán)境壓力、流體粘度、表面張力、空化裝置結(jié)構(gòu)等，但影響水力空化發(fā)生的主要兩個(gè)因素是：液體內(nèi)部壓強(qiáng)大小和液體流速大小，所以這兩個(gè)物理量常被用來(lái)定義空化參數(shù)。

空化經(jīng)典理論認(rèn)為，液體能夠發(fā)生空化的臨界壓強(qiáng)等于液體的飽和蒸汽壓，即液體的飽和蒸氣壓可視為液體內(nèi)部能夠產(chǎn)生空化時(shí)的臨界壓強(qiáng)，此時(shí)，在一定的操作溫度下，以空化裝置中流體內(nèi)部某基準(zhǔn)點(diǎn)的壓強(qiáng)P與液體蒸汽壓強(qiáng)P之差P-P值越大，則流體越難發(fā)生空化，因此P-P值構(gòu)成了阻止流體空化的力；另一方面，流體流速越大，則流體越容易發(fā)生空化，因此動(dòng)壓強(qiáng)構(gòu)成了促進(jìn)流體空化的力此流體發(fā)生空化的阻力與動(dòng)力之比，構(gòu)成了一個(gè)無(wú)量綱的準(zhǔn)數(shù)一空化數(shù)，以a表示，則：式中，p為液體的密度.從式（1）可知，空化數(shù)a值越小，流體越容易發(fā)生空化現(xiàn)象，反之越不容易發(fā)生空化.由式（1）還可知，空化數(shù)a值與流體流速v成反比關(guān)系；同時(shí)根據(jù)流體連續(xù)性方程可知，在流體流量一定的情況下，流體流速v和管道內(nèi)徑尺寸也成反比關(guān)系.因此，空化數(shù)隨β（β=d/D，d為限流區(qū)域的管道直徑，D為限流區(qū)域外的管道內(nèi)徑）增大而增大。

一般地，將剛剛發(fā)生空化時(shí)所對(duì)應(yīng)的空化數(shù)稱為初生空化數(shù)，以a表示.而空化消失時(shí)所對(duì)應(yīng)的空化數(shù)則稱為消失空化數(shù)，用a表示.根據(jù)定義a和a的表達(dá)式分別為：式中，P、P分別為空化泡初生及消失時(shí)的P值；v和分別為空化泡初生和消失時(shí)的v值.

顯然，當(dāng)空化數(shù)a>a或a>a。時(shí)，空化泡無(wú)法產(chǎn)生，即無(wú)空化現(xiàn)象發(fā)生；而當(dāng)空化數(shù)a由此可見，空化數(shù)、初生空化數(shù)或消失空化數(shù)是判別水力空化中空化現(xiàn)象是否發(fā)生，以及確定空化強(qiáng)度大小的重要參數(shù).一般地，當(dāng)空化數(shù)a=1.5～2.5時(shí)，空化現(xiàn)象可以發(fā)生，這取決于節(jié)流的大??；當(dāng)o<1時(shí)，空化現(xiàn)象比較明顯。

3在生物資源領(lǐng)域中的應(yīng)用

水力空化過(guò)程中產(chǎn)生的空化效應(yīng)，包括空化產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”效應(yīng)（瞬時(shí)溫度高達(dá)5000·c、瞬時(shí)高壓可達(dá)50 MPa）、機(jī)械效應(yīng)（強(qiáng)烈沖擊波、微射流和劇烈湍動(dòng)）和活化效應(yīng)（羥自由基）等，以上效應(yīng)除被廣泛用于水處理外，在生物資源領(lǐng)域也有不少研究。

3.1生物多糖降解

生物質(zhì)殼聚糖分子量大，且具有緊密的晶體結(jié)構(gòu)，其只能在酸性介質(zhì)中才能溶解，這很大程度上限制了殼聚糖的應(yīng)用.利用水力空化效應(yīng)將殼聚糖降解生成分子量低、水溶性強(qiáng)的殼寡糖分子，這是水力空化在生物多糖降解中的典型應(yīng)用.黃永春等采用幾何孔板、渦流和文丘里管3種不同的空化元件降解殼聚糖分子，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在采用孔板水力空化降解過(guò)程中，控制上游操作壓力為0.2 MPa，射流空化總時(shí)長(zhǎng)為3h，殼聚糖溶液pH 4.4時(shí)，將初始?xì)ぞ厶侨芤簼舛扔?.3 g/L升高至2.0 g/L時(shí)，殼聚糖溶液的特性粘度下降率由56%降低至20%，這說(shuō)明殼聚糖濃度增大，不利于孔板水力空化降解殼聚糖分子；采用FT-IR、XRD表征降解產(chǎn)物，結(jié)果表明殼聚糖分子降解主要發(fā)生在β-（1-4）糖苷鍵上；渦流空化、文丘里管空化降解殼聚糖分子也得到了相似的結(jié)論.本課題組研究還表明，渦流空化聯(lián)用氧氣（0₂），以及撞擊流一水力空化二者協(xié)同作用均可提高殼聚糖分子的降解效果，河海大學(xué)張淑君等以H₂0₂、或Na-N0₂作為降解增強(qiáng)劑，促進(jìn)了孔板水力空化對(duì)殼聚糖分子的降解效果.此外，已有研究將水力空化用于果膠、纖維素等生物多糖的降解研究。

3.2甘蔗糖汁澄清

甘蔗作為廣西重要的農(nóng)作物之一，也是重要的生物資源.在制糖工業(yè)中，甘蔗糖汁澄清是制糖過(guò)程中重要的關(guān)鍵步驟，但天然蔗汁的成分十分復(fù)雜，除蔗糖外，還包含淀粉、果膠、蔗臘、蔗脂、蛋白質(zhì)、氨基酸、色素等，目前廣泛采用亞硫酸法進(jìn)行甘蔗糖汁澄清，但是該法易造成白砂糖有硫的殘留，同時(shí)容易發(fā)生管道結(jié)垢現(xiàn)象.黃永春等分別利用水力空化強(qiáng)化亞硫酸鈣沉淀吸附糖液中非糖分、水力空化強(qiáng)化糖液亞硫酸法脫色.結(jié)果表明，水力空化下的糖液簡(jiǎn)純度、糖液脫色率明顯高于無(wú)水力空化下的糖液簡(jiǎn)純度、糖液脫色率，這說(shuō)明水力空化能夠有效強(qiáng)化亞硫酸鈣吸附糖液中非糖分，強(qiáng)化糖液亞硫酸法脫色.此外，本課題組還將水力空化耦合抗壞血酸（vc）或H202用于甘蔗糖汁澄清工藝，目前研究正在進(jìn)行中。

3.3生物菌類與藻類脫除

水力空化產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)（沖擊波、微射流）和羥基自由基（·OH）效應(yīng)可作用于水體中的細(xì)菌和藻類，并破壞其細(xì)胞壁，從而殺滅微生物和藻類，這在果汁、蔬菜汁、牛奶等殺菌工藝中已有研究.Save等研究證實(shí)，將含有釀酒酵母菌的水通過(guò)簡(jiǎn)易水力空化發(fā)生裝置，可以有效地殺滅水中的釀酒酵母.Milly等將水力空化用于蘋果汁、西紅柿汁和脫脂牛奶的滅菌處理，研究發(fā)現(xiàn)，水力空化不僅能有效殺滅其中的微生物，同時(shí)還有效保持了蘋果汁、西紅柿汁、脫脂牛奶中的營(yíng)養(yǎng)成分，較好地保持了果蔬汁和脫脂牛奶的品質(zhì)，延長(zhǎng)了貨架期.此外，同濟(jì)大學(xué)宋源等。加采用微氣泡水力空化強(qiáng)化混凝脫除水體中的銅綠微藻試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在pH=8的弱堿性條件下，水力空化對(duì)藻類的去除效果最為理想。

3.4油脂水解與蛋白改性

水力空化產(chǎn)生的空化效應(yīng)在促進(jìn)油脂水解和蛋白質(zhì)改性中也有研究1993年，Pandit等以植物蓖麻籽油為原料，首次采用簡(jiǎn)易節(jié)流裝置產(chǎn)生的水力空化對(duì)其進(jìn)行水解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)空化作用時(shí)間延長(zhǎng)至35 h時(shí)，蓖麻籽油的酸值增大為123 mgKOH/g，這說(shuō)明水力空化可有效促進(jìn)蓖麻籽油的水解過(guò)程，并且相比于超聲空化水解蓖麻籽油能耗更低.Jaya等采用射流空化水解棕櫚油，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴嘴直徑大小、噴射速度是影響棕櫚油水解速率的兩個(gè)關(guān)鍵因素，但是，SalineBeuve等將水力空化用于酶解菜籽油的過(guò)程中，空化效應(yīng)反而在一定程度上對(duì)水解過(guò)程產(chǎn)生了抑制作用.另外，水力空化還可用于大豆蛋白的物理改性任仙娥等研究渦流空化對(duì)大豆分離蛋白功能性質(zhì)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)空化處理90 min后的大豆分離蛋白溶解度由處理前的0.69 mg/L增大為1.23 mg/L；起泡性也由處理前的14%曾大為310%；其空化處理60 min內(nèi)的乳化活性也呈先增大后降低的趨勢(shì)，而此期間其乳化穩(wěn)定性基本保持不變；同時(shí)，其處理后的溶液粘度也降低了.以上結(jié)果說(shuō)明，經(jīng)水力空化處理后的大豆分離蛋白理化性質(zhì)發(fā)生了改變，其溶解性和氣泡性都增大了，而溶液粘度降低了，但乳化穩(wěn)定性基本不受水力空化作用的影響。

3.5生物質(zhì)能源制備

水力空化過(guò)程由于其具備的空化效應(yīng)特性，還可以作為一項(xiàng)化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)，用于生物柴油、生物乙醇和生物沼氣等生物質(zhì)能源的制備.目前，將水力空化用于強(qiáng)化生物柴油生產(chǎn)過(guò)程已取得了不少的研究成果.Bokhari等以橡膠籽油為原料，采用含21個(gè)孔、孔徑為1mm的幾何孔板，控制孔板來(lái)流入口壓力為3 bar，對(duì)橡膠籽油和醋酸甲酯的酯交換反應(yīng)制備生物柴油過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同產(chǎn)率下，孔板水力空化制備比傳統(tǒng)機(jī)械攪拌制備生物柴油縮短了3倍的時(shí)間Maddikeri等以廢餐飲油為原料，狹縫文丘里管、圓形狀文丘里管和單孔孔板作為空化器，用于強(qiáng)化酯交換反應(yīng)制備生物柴油，結(jié)果發(fā)現(xiàn)狹縫文丘里管的強(qiáng)化效果最好，且生物柴油產(chǎn)量要高于超聲空化和傳統(tǒng)機(jī)械攪拌.Gole、Chuah、Cru-do和何相君等也報(bào)道了采用水力空化可強(qiáng)化酯交換反應(yīng)制備生物柴油.水力空化可作為木質(zhì)纖維素水解的預(yù)處理手段，用于制備燃料乙醇.Hilares等以甘蔗渣為原料，0.3 mol/L NaOH溶液進(jìn)行堿法水解，采用水力空化對(duì)甘蔗渣的水解過(guò)程進(jìn)行處理，在空化入口壓力3 bar，溫度70℃下，甘蔗渣中的纖維素和半纖維素水解率分別達(dá)93.05%和94.45%.Kim等以蘆葦為原料，采用水力空化對(duì)NaOH水解過(guò)程進(jìn)行處理，在41.1min內(nèi)木質(zhì)纖維素和半纖維素水解得到葡萄糖的產(chǎn)量可達(dá)326.5 g/kg蘆葦.Patil等以小麥秸稈為原料，采用水力空化對(duì)NaOH水解過(guò)程進(jìn)行預(yù)處理，甲烷（CH4）產(chǎn)量可達(dá)77.9 mL，高于無(wú)水力空化的甲烷產(chǎn)量31.8mL.由此可見，水力空化在強(qiáng)化生物質(zhì)能源制備領(lǐng)域中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與開發(fā)空間，這也是水力空化過(guò)程在生物資源領(lǐng)域應(yīng)用中的一個(gè)重要方向。

4展望

水力空化易于實(shí)現(xiàn)，過(guò)程僅需流體通過(guò)一個(gè)流通面積呈局部收縮變小的節(jié)流元件（如文丘里管、幾何孔板），當(dāng)液體的內(nèi)部壓強(qiáng)降低至或低于其飽和蒸汽壓時(shí)即可產(chǎn)生空化現(xiàn)象，并可通過(guò)改變限流區(qū)域的管道直徑、入口壓力、節(jié)流面積、液體流速和液體溫度等形式來(lái)調(diào)控空化強(qiáng)度，相比于超聲空化，其耗能低、能效高和處理量大等特點(diǎn)，更具有規(guī)模性工業(yè)化應(yīng)用優(yōu)勢(shì).目前，水力空化在水處理、環(huán)境保護(hù)和材料科學(xué)領(lǐng)域都已有所應(yīng)用，尤其在水處理領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛.但是，水力空化作為液體特有的現(xiàn)象，其空化產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和羥自由基效應(yīng)等空化效應(yīng)，使其在生物資源領(lǐng)域也逐漸有所突破，研究成果不斷涌現(xiàn).由此可見，隨著水力空化技術(shù)及其理論的不斷發(fā)展與完善，其作為一項(xiàng)新型的過(guò)程強(qiáng)化手段在生物資源領(lǐng)域的利用是其重要的研究方向，同時(shí)也將具有更廣闊的的應(yīng)用前景。