超声波对固体颗粒表面性质的影响

超声波对固体颗粒表面性质的影响杨志刚1,屈撑囤2,张宁生2,王新强2(1.西安交通大学能源与动力学院,陕西西安710049;2.西安石油大学化学化工学院,陕西西安710065)摘要:研究了在不同频率、功率、时间、温度条件下超声波对固体颗粒大小的影响;探讨了超声波对十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA)阳离子表面活性剂在固体颗粒表面解吸性能的影响.结果表明:功率越大、时间越长,超声波作用后固体颗粒粒径均值越小.温度升高,固体颗粒的运动性能增强,超声波作用后粒径均值在55e时最小,且在频率为40kHz、功率为50W、作用时间为50min及55e时,颗粒长轴均值从12.575Lm减小到7.799Lm,短轴均值从6.998Lm减小到5.453Lm.同时超声波发生器的功率越大、时间越长、温度越高,黏土颗粒表面吸附HDTMA的解吸率增大,且当频率为80kHz、功率为50W、时间为50min、温度为65e时,其解吸率可达64.69%.关键词:超声波;固体颗粒;阳离子表面活性剂;超声解吸中图分类号:TQ423.12文献标识码:A固体颗粒物对环境的污染除本身具有恶化水质的作用外,更主要的是因为它们是难降解有机有毒物的载体,两者紧密结合为复杂的聚集体,成为环境污染和水质控制技术中被关注的对象[1].在污水处理过程中固体颗粒物转变成污泥,这些污泥成分复杂,含有大量有毒有害物质,如果不对其进行处理而就地排放,势必造成严重的环境污染.利用超声波降解水中的污染物是近年来发展起来的一项新型水处理技术[2],但该技术的研究主要集中在水体中难降解化合物上[3],利用超声处理固体颗粒的研究甚少.本文考察不同频率、不同功率、不同时间、不同温度的超声对固体颗粒的作用规律,同时研究超声波对十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA)阳离子表面活性剂在固体颗粒表面解吸性能的影响,以寻找处理污泥的新途径1实验部分1.1试剂及仪器试剂:无水Na2CO3、十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA)、四苯硼钠、甲醛、达旦黄、NaOH均为分析纯试剂;蒙脱土取自山东安丘,为工业品.仪器:昆山市超声仪器有限公司生产的KQ-50DB型数控超声波清洗器;上海恒平科学仪器有限公司生产的MP500B型电子精密天平;上海光学仪器厂生产的XSP-BM型光学显微镜;江苏金坛市国胜试验仪器厂生产的SHZ-82型气浴恒温振荡器.1.2超声对固体颗粒的作用在高速搅拌条件下将蒙脱土缓慢加入溶有2.5j的无水Na2CO3的水溶液中,搅拌2h,静止8h得到呈黏稠糊状的黏土悬浮液.黏土悬浮液经稀释后配制成黏土体系.将黏土体系放入超声清洗器里,经不同频率、功率、时间、温度超声的作用后,用显微镜观察黏土体系,CGPerformance采集图样,NCMIFAS应用软件分析颗粒大小.1.3超声波对吸附了阳离子表面活性剂的黏土体系的解吸配制8.0g/L的十六烷基三甲基溴化铵标准溶液500mL,将该标准溶液用移液管移取200mL到250mL锥形瓶里.向锥形瓶里加入用电子天平准确称量4.00g的蒙脱土.在温度为30e的气浴恒温振荡器里放置24h.然后将充分吸附、摇匀的黏土溶液过滤,过滤的清液用标定好的四苯硼钠滴定.将烘干后的滤渣碾细,作为标准土样.将标准土样配成5L的溶液作为含有阳离子表面活性剂的标准黏土溶液,经测定标准黏土样的吸附量为349.2mg/g.准确量取一定体积的吸附着十六烷基三甲基溴化铵的标准黏土溶液放入超声清洗器里,在不同频率、功率、时间、温度的作用下计算黏土的解吸率.解吸率=(1-S/So)@100%.其中,S为超声作用后黏土的吸附量,So为未超声作用时黏土的吸附量.2结果与讨论2.1超声作用对固体颗粒大小的影响2.1.1超声频率对固体颗粒大小的影响当超声作用温度为35e、时间为35min、功率为50W时,频率变化对颗粒大小及分布的影响见图1.图1频率变化对颗粒大小的影响由图1可知,在19~25kHz范围内,随着频率增大,颗粒长、短轴均值减小趋势明显,颗粒长轴均值从12.575Lm减小到8.053Lm,短轴均值从6.998Lm减小到5.454Lm.随着频率继续增大,颗粒长、短轴均值有所增加,80kHz时颗粒长轴均值增加到的8.629Lm,短轴均值增加到5.805Lm,但增加幅度不大.这是由于超声频率在25kHz时有利于空化作用,液体受到的压缩和稀疏作用有更大的时间间隔,使气泡在崩溃前能生长到较大的尺寸,在崩溃时空化强度增高.虽然在25kHz超声作用时效果最明显但是其噪声很大,频率在40kHz时处理固体颗粒噪声较低,比较适宜.2.1.2超声功率对固体颗粒大小的影响当超声作用温度为35e、作用时间为35min、频率为40kHz时,功率变化对固体颗粒大小的影响见图2.图2功率变化对颗粒大小的影响从图2得知,当功率在20~50W范围时,随着功率的增大,颗粒长、短轴均值呈减小的趋势,长、短轴均值分别由20W时的11.708Lm和6.005Lm变为50W时的8.495Lm和5.643Lm.这主要是因为功率越大,其超声波强度越大,给固体颗粒的粉碎能较大使粒径减小更快.2.1.3超声作用时间对颗粒大小的影响在频率40kHz和功率50W下,超声温度恒定为35e,超声作用时间对颗粒大小的影响见图3.由图3可知,随着超声作用时间的增长,固体颗粒的粒径变得更小,长、短轴均值分别由10min时的11.078Lm和6.005Lm变为50min时的8.099Lm和5.696Lm.这主要是因为时间越长,空化作用时间越长,所以对颗粒粒径的影响越大.2.1.4温度对颗粒大小及分布的影响在频率40kHz、功率为50W、作用时间为50min时,温度变化对颗粒大小的影响见图4.由图4中可知,在25~65e范围内,颗粒长、短轴均值先从25e时的8.881Lm和5.951Lm逐渐降到55e时的7.799Lm和5.453Lm,再随温度增加,逐渐增大到65e时的8.235Lm和5.587Lm.这主要是因为温度对粒子空化作用的影响归因于液体介质与多种因素的相互作用,其中包括液体中所溶解的空气的浓度、黏度、液体表面张力以及微气泡内的蒸气密度等都与温度有关[2,3].分散液中溶解的空气有两种相反的作用,一方面如果空气量增加,能产生气泡的气体量也增加,在几何形状、压力、温度以及黏度固定不变的条件下,将产生大量的微气泡.另一方面,如果要崩溃的微气泡中含大量空气,微气泡的崩溃受内部气压限制,液体介质中的空化效应由于空气的缓冲而减小.除了溶解的空气外,液体的黏度和表面张力也能起缓冲作用.当微气泡中蒸气密度增加时,由于限制了微气泡的生长和崩溃,因此空化破损作用减小.当液体温度增加时,溶解的空气量、黏度以及表面张力减小,而微气泡内部的蒸气密度增加[4].2.2超声对含有阳离子表面活性剂的黏土颗粒的解吸2.2.1不同频率超声解吸结果在恒定温度为35e、时间为20min、超声功率为50W时,频率变化对黏土颗粒解吸率的影响结果见图5.由图5可知,随着频率的增大,解吸率上升,由19kHz时的4.16%提高到80kHz时的8.58%.2.2.2不同功率超声解吸结果在频率为80kHz,恒定温度为35e,时间为20min时,功率变化对黏土颗粒解吸的结果见图6由图6可知,随功率增大黏土颗粒的解吸率也增大.黏土颗粒的解吸率由20W时的3.36%提高到50W时的8.58%.2.2.3不同时间超声解吸结果在频率为80kHz、功率为50W、恒定温度为35e时,时间变化对黏土颗粒的解吸结果见图7.由图7可知,随作用时间的增长黏土颗粒的解吸率呈递增趋势,黏土颗粒的解吸率由10min时的5.33%提高到50min的28.31%.2.2.4不同温度超声解吸的结果在频率为80kHz,功率为50W,时间为50min时,温度变化对黏土颗粒的解吸结果见图8.从图8可知,在实验温度范围内,随温度的升高解吸率提高较明显.因为随温度的升高阳离子表面活性剂溶解性加大使吸附降低,在超声空化作用下使其解吸更明显.黏土颗粒的解吸率由25e时的24.22%提高到65e时的64.69%.超声波解吸含有阳离子表面活性剂的黏土体系时,在实验范围内,随着频率增大、功率增大、时间加长、温度升高黏土的解吸率都呈上升趋势.功率和频率增大都使超声能量加大促使黏土颗粒解吸.时间加长使空化作用加长提高解吸率.温度的上升不但加快了空化作用还加大了表面活性剂的溶解度,所以解吸更明显.3结论(1)不同频率、功率、时间、温度的超声作用后,固体颗粒的大小及分布发生了变化.固体颗粒的长、短轴均值随着功率增加,时间加长而减小,就频率而言不但要考虑其空化作用还要考虑其噪声污染.温度对于固体颗粒物来说,在实验范围内有一个最佳值.实验中选出了在较小频率40kHz,最大功率50W,较长时间50min和适当的温度55e下可以使超声波对固体颗粒的作用最显著,颗粒长轴均值从12.575Lm减小到7.799Lm,短轴均值从6.998Lm减小到5.453Lm.(2)在不同频率、功率、时间、温度作用下超声解吸黏土体系,黏土的解吸率有一定的提高.随着超声频率、功率、时间、温度增加,黏土颗粒解吸率也增大.本文实验范围内,80kHz,50W,50min,65e时对黏土体系解吸效果最好,其解吸率达到64.69%.参考文献:[1]卢寿慈.工业悬浮液)))性能调制及加工[M].北京:化学工业出版社,2003.482-483.[2]李春喜,王京刚.超声波技术在污水处理中的应用与研究进展[J].环境污染治理技术与设备,2001,2(2):64-69.[3]杨新萍,王世和.超声辐照对水中化学污染物的降解[J].环境污染与防治,2002,24(4):252-256.[4]KeunwanLee著.郑敏译.C.I.分散红60在超声波作用下的破碎性[J].国外纺织技术,2002.11(212):21-24.编辑:国伍玲从图3、图4可以看出,处于最小割集中阶数较小的事件,如X1(管道上方有违章施工),X3(人为破坏可能性),X19(材料选择不当)等,其相对比重要度、概率重要度系数和临界重要度系数均比较大.也就是说,这些因素是影响管线失效的最重要因素,在管线的风险管理和决策中应予以重视.4结论(1)采用面向对象的程序设计方法,根据故障树理论,自行研制和设计了针对于油田长输管线的风险概率分析软件系统.(2)系统设计并实现了长输管线风险评价故障树的输入,并且能方便快速地进行定性分析和定量分析.除了上述功能外,本软件还具备故障树文件的导入、导出及结果打印等功能.(3)本软件在油田长输管线风险评价中的应用,将使得故障树分析大量、繁琐的工作变得方便快捷提高了工作效率,有着较高的实用价值.参考文献:[1]姚安林.论我国管道风险评价技术的发展战略[J].天然气工业,1999,19(7):66-69.[2]陈利琼,张鹏.油气管道风险的模糊综合评价方法探讨[J].天然气工业,2003,23(3):117-119.[3]黄祥瑞.可靠性工程[M].北京:清华大学出版社,1990.82-129.[4]章国栋,陆延孝,屠庆慈,等.系统可靠性与维护性设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990.110-129.[5]LinChing-Torng,WangMao-Jiun.Hybridfaulttreeana-lysisusingfuzzysets[J].ReliabilityEngineeringandSys-temSafety,1997,(58):205-213.[6]李安贵,张志宏,段凤英.模糊数学及其应用[M].北京:冶金工业出版社,1994:16-56.[7]ClemenRT,WinklerRL.Combiningprobabilitydistr-ibutionsfromexpertinriskanalysis[J].RiskAnalysis,1999,19(2):187-203.[8]廖柯熹,姚安林,张淮鑫.天然气管线失效故障树分析[J].天然气工业,2001,21(2):94-96.编辑:张新宝