水力空化及其在生物资源领域中的应用研究进展

张昆明 陆小菊 黄永春 杨锋 黄承都 任仙娥 黄琼

摘要：水力空化作为液体特有的现象，其本质属于相变过程，相变产生的空化泡在溃灭瞬间引起的空化效应，除广泛应用于水处理领域外，还被用于生物资源领域中.文章对水力空化的概念、优点、产生机理和空化判据，及其近年来在生物资源领域中的研究与应用新进展等进行了概述；最后提出，水力空化相比于超声空化能耗更低、能效更高和规模放大更易，其作为一种新型过程强化手段在生物资源领域的应用是其重要的研究方向，同时也将具有更广阔的的应用前景。

关键词：水力空化；生物资源；过程强化

0引言

空化是液体特有的现象，是一种在常温下就能发生的物理过程，属于工程科学的重要研究领域之一，迄今已有100多年的历史，1893年，英国海军的一条驱逐舰和汽轮机船先后在航行中突然发生航速下跌，检查发现螺旋桨桨叶被击穿损坏，后来发现是螺旋桨上产生空化泡的原因，这是人们对空化的第一次感性认识，随后，1897年英国Barnaby等一起研究船舶螺旋桨推进效率严重下降的原因，将击穿螺旋桨桨叶的这种水动力学现象定义为空化（cavitation），这是历史上第一次提出“空化”这个概念，此后，业内把液体内局部产生压降或处于低压时，在液体自身内部或在液体与固体界面上发生液体与其蒸汽之间的相变过程，即空化泡的生长、发展和溃灭的过程与现象称为空化。

空化产生的方式可以是多样的，一般根据其产生的方式可分为声致空化、水力空化、光致空化、粒子空化4种类型，其中，超声空化和水力空化二者以其简易的操作以及易于在实验室中实现，成为业内学者们广为采用的两种空化研究手段.超声空化作为一种典型的空化类型，其空化过程能量分布集中、空化效应剧烈，在细胞破碎、超声乳化、超声萃取、有机物降解等诸多领域都已取得了不少研究成果.但是，工业化实现难度大是超声空化的最大弊端，这主要是由于其总能耗中仅有5%～10%用于空化效应，能量利用率低，且其产生的空化效应只发生在超声变幅杆换能器附近很小的区域内，形成非均匀的局部强化场，使其应用范围和应用规模受到了很大地限制，因此，水力空化开始成为业内关注的焦点.水力空化过程中，由于节流元件引起的压降促使空化泡的产生，形成液体一空化泡二者一起随流体输送的方向作整体运动，因而空化泡分布范围更宽且更为均匀，避免了超声空化产生的空化泡在狭小区域内过于集中的缺陷，从而可在液体较大区域范围内形成一个比较均匀的空化强化场，并且具有简便易行、能耗低、能效高和易实现规模化等优点，这是其工业化应用的优势所在。

1水力空化产生的机理

水力空化仅在流动的液体中发生，且发生场合是多样的，例如管道内径突然急剧收缩、管道中流体流速突然改变等.这是由于在天然状态的液体中，含有大量外径约为10^-4_10cm的极微小空泡，即气核或空化核，这些气核或空化核通常情况下肉眼是看不见的.当管道内流动的液体由于节流现象引起液体内部压强降低时，空化的初生首先从气核开始，然后膨胀长大，形成了肉眼可见的、直径较大的空化泡，此时在压强降低区域形成液体一空化泡（气体）的“两相流”运动，当夹带空化泡的液体“两相流”流经管道压力突然增大之处时，空化泡体积将急剧缩小、并发生溃灭（恢复到气核），并在其周围狭小的空间范围内产生高温（1000℃-5000℃）、瞬时高压（1-50 MPa）等极端环境效应，即形成“热点”，并伴有强烈的冲击波、微射流和剧烈湍动等机械效应，同时水溶液可产生羟自由基（OH）等活化效应，以上效应即为水力空化产生的空化效应.

液体内部本身存在的气核因外界压力的改变而长大或缩小，这些属于表观上的空化泡，但空化的本质是相变过程，是液体与其蒸汽之间的相变.空化泡的产生是由于液体内部局部压力降低至或低于液体的饱和蒸气压时，突然引起液体发生“沸腾”转变为蒸汽，属于一个汽化过程盼，在研究中，水力空化通常可以这样实现：将流体通过一个具有局部收缩的节流元件，比如文丘里管、几何孔板等，此时流经节流区域的液体内部产生压降，并引起节流区域内的液体流速陡然增大，当节流区域内液体内部局部压力降低至液体的饱和蒸汽压，甚至低于其饱和蒸汽压时，液体中夹带的气核将膨胀长大形成空化泡并得到释放，同时液体自身也会发生汽化相变，产生大量的空化泡，从而形成液一汽两相流，两相流遇到周围压力增大时，其夹带的空化泡体积将急剧缩小直至溃灭[关于空化的形成机理，目前主要有核子理论和理想球型空泡动力学两种.

1.1核子理论

1947年，Harvey率先提出了空泡核子理论，该理论认为：气体核子是水中固体颗粒或绕流物体表面缝隙中未被溶解的气体，而这些固体表面是疏水亲油的，这使得在物体表面缝隙中的气体形成一个凹面的自由表面.此时当缝隙成圆锥形时，凹形的自由表面的接触角将>90°，在表面张力的作用下将阻止液体进入缝隙，从而防止了缝隙中的气体发生溶解.Harvey假说具有普适性，可用于解释观察到的所有空化现象，并且已有研究证实了气核的存在。

1.2理想球型空泡动力学

1917年，Rayleigh研究单个空泡的运动特性及其有关动力变化过程，其根据能量平衡规律，建立了理想球型空泡动力学方程，并提供了方程的理论解，但当空泡完全溃灭时，方程导出的结果为溃灭压强为无穷大，这实际上是不可能的，但这为空泡动力学的发展奠定了基础，随后，Plesset等考虑液体中空泡变化过程的实际情况（比如：液体的粘度），做了一些改进，从而使球型空泡动力学理论得到补充和完善.随着研究的不断深入，空化理论也逐步得到完善。

2水力空化的判据

水力空化实现工程应用的一个重要前提，就是必须使流体产生空化现象，但如何去判断管道中的流体在一定的工程背景条件下能够发生，这是需要解决的一个问题.从水力空化的产生机理可知，影响空化发生的因素是多样的，比如：流体流速、流体温度、环境压力、流體粘度、表面张力、空化装置结构等，但影响水力空化发生的主要两个因素是：液体内部压强大小和液体流速大小，所以这两个物理量常被用来定义空化参数。

空化经典理论认为，液体能够发生空化的临界压强等于液体的饱和蒸汽压，即液体的饱和蒸气压可视为液体内部能够产生空化时的临界压强，此时，在一定的操作温度下，以空化装置中流体内部某基准点的压强P与液体蒸汽压强P之差P-P值越大，则流体越难发生空化，因此P-P值构成了阻止流体空化的力；另一方面，流体流速越大，则流体越容易发生空化，因此动压强构成了促进流体空化的力此流体发生空化的阻力与动力之比，构成了一个无量纲的准数一空化数，以a表示，则：式中，p为液体的密度.从式（1）可知，空化数a值越小，流体越容易发生空化现象，反之越不容易发生空化.由式（1）还可知，空化数a值与流体流速v成反比关系；同时根据流体连续性方程可知，在流体流量一定的情况下，流体流速v和管道内径尺寸也成反比关系.因此，空化数随β（β=d/D，d为限流区域的管道直径，D为限流区域外的管道内径）增大而增大。

一般地，将刚刚发生空化时所对应的空化数称为初生空化数，以a表示.而空化消失时所对应的空化数则称为消失空化数，用a表示.根据定义a和a的表达式分别为：式中，P、P分别为空化泡初生及消失时的P值；v和分别为空化泡初生和消失时的v值.

显然，当空化数a>a或a>a。时，空化泡无法产生，即无空化现象发生；而当空化数a由此可见，空化数、初生空化数或消失空化数是判别水力空化中空化现象是否发生，以及确定空化强度大小的重要参数.一般地，当空化数a=1.5～2.5时，空化现象可以发生，这取决于节流的大小；当o<1时，空化现象比较明显。

3在生物资源领域中的应用

水力空化过程中产生的空化效应，包括空化产生的“热点”效应（瞬时温度高达5000·c、瞬时高压可达50 MPa）、机械效应（强烈冲击波、微射流和剧烈湍动）和活化效应（羟自由基）等，以上效应除被广泛用于水处理外，在生物资源领域也有不少研究。

3.1生物多糖降解

生物质壳聚糖分子量大，且具有紧密的晶体结构，其只能在酸性介质中才能溶解，这很大程度上限制了壳聚糖的应用.利用水力空化效应将壳聚糖降解生成分子量低、水溶性强的壳寡糖分子，这是水力空化在生物多糖降解中的典型应用.黄永春等采用几何孔板、涡流和文丘里管3种不同的空化元件降解壳聚糖分子，研究结果发现，在采用孔板水力空化降解过程中，控制上游操作压力为0.2 MPa，射流空化总时长为3h，壳聚糖溶液pH 4.4时，将初始壳聚糖溶液浓度由0.3 g/L升高至2.0 g/L时，壳聚糖溶液的特性粘度下降率由56%降低至20%，这说明壳聚糖浓度增大，不利于孔板水力空化降解壳聚糖分子；采用FT-IR、XRD表征降解产物，结果表明壳聚糖分子降解主要发生在β-（1-4）糖苷键上；涡流空化、文丘里管空化降解壳聚糖分子也得到了相似的结论.本课题组研究还表明，涡流空化联用氧气（0₂），以及撞击流一水力空化二者协同作用均可提高壳聚糖分子的降解效果，河海大学张淑君等以H₂0₂、或Na-N0₂作为降解增强剂，促进了孔板水力空化对壳聚糖分子的降解效果.此外，已有研究将水力空化用于果胶、纤维素等生物多糖的降解研究。

3.2甘蔗糖汁澄清

甘蔗作为广西重要的农作物之一，也是重要的生物资源.在制糖工业中，甘蔗糖汁澄清是制糖过程中重要的关键步骤，但天然蔗汁的成分十分复杂，除蔗糖外，还包含淀粉、果胶、蔗腊、蔗脂、蛋白质、氨基酸、色素等，目前广泛采用亚硫酸法进行甘蔗糖汁澄清，但是该法易造成白砂糖有硫的残留，同时容易发生管道结垢现象.黄永春等分别利用水力空化强化亚硫酸钙沉淀吸附糖液中非糖分、水力空化强化糖液亚硫酸法脱色.结果表明，水力空化下的糖液簡纯度、糖液脱色率明显高于无水力空化下的糖液简纯度、糖液脱色率，这说明水力空化能够有效强化亚硫酸钙吸附糖液中非糖分，强化糖液亚硫酸法脱色.此外，本课题组还将水力空化耦合抗坏血酸（vc）或H202用于甘蔗糖汁澄清工艺，目前研究正在进行中。

3.3生物菌类与藻类脱除

水力空化产生的“热点”效应、机械效应（冲击波、微射流）和羟基自由基（·OH）效应可作用于水体中的细菌和藻类，并破坏其细胞壁，从而杀灭微生物和藻类，这在果汁、蔬菜汁、牛奶等杀菌工艺中已有研究.Save等研究证实，将含有酿酒酵母菌的水通过简易水力空化发生装置，可以有效地杀灭水中的酿酒酵母.Milly等将水力空化用于苹果汁、西红柿汁和脱脂牛奶的灭菌处理，研究发现，水力空化不仅能有效杀灭其中的微生物，同时还有效保持了苹果汁、西红柿汁、脱脂牛奶中的营养成分，较好地保持了果蔬汁和脱脂牛奶的品质，延长了货架期.此外，同济大学宋源等。加采用微气泡水力空化强化混凝脱除水体中的铜绿微藻试验，研究发现在pH=8的弱碱性条件下，水力空化对藻类的去除效果最为理想。

3.4油脂水解与蛋白改性

水力空化产生的空化效应在促进油脂水解和蛋白质改性中也有研究1993年，Pandit等以植物蓖麻籽油为原料，首次采用简易节流装置产生的水力空化对其进行水解，结果发现当空化作用时间延长至35 h时，蓖麻籽油的酸值增大为123 mgKOH/g，这说明水力空化可有效促进蓖麻籽油的水解过程，并且相比于超声空化水解蓖麻籽油能耗更低.Jaya等采用射流空化水解棕榈油，结果发现喷嘴直径大小、喷射速度是影响棕榈油水解速率的两个关键因素，但是，SalineBeuve等将水力空化用于酶解菜籽油的过程中，空化效应反而在一定程度上对水解过程产生了抑制作用.另外，水力空化还可用于大豆蛋白的物理改性任仙娥等研究涡流空化对大豆分离蛋白功能性质的影响时发现，经空化处理90 min后的大豆分离蛋白溶解度由处理前的0.69 mg/L增大为1.23 mg/L；起泡性也由处理前的14%曾大为310%；其空化处理60 min内的乳化活性也呈先增大后降低的趋势，而此期间其乳化稳定性基本保持不变；同时，其处理后的溶液粘度也降低了.以上结果说明，经水力空化处理后的大豆分离蛋白理化性质发生了改变，其溶解性和气泡性都增大了，而溶液粘度降低了，但乳化稳定性基本不受水力空化作用的影响。

3.5生物质能源制备

水力空化过程由于其具备的空化效应特性，还可以作为一项化工过程强化技术，用于生物柴油、生物乙醇和生物沼气等生物质能源的制备.目前，将水力空化用于强化生物柴油生产过程已取得了不少的研究成果.Bokhari等以橡胶籽油为原料，采用含21个孔、孔径为1mm的几何孔板，控制孔板来流入口压力为3 bar，对橡胶籽油和醋酸甲酯的酯交换反应制备生物柴油过程进行强化，结果发现，在相同产率下，孔板水力空化制备比传统机械搅拌制备生物柴油缩短了3倍的时间Maddikeri等以废餐饮油为原料，狭缝文丘里管、圆形状文丘里管和单孔孔板作为空化器，用于强化酯交换反应制备生物柴油，结果发现狭缝文丘里管的强化效果最好，且生物柴油产量要高于超声空化和传统机械搅拌.Gole、Chuah、Cru-do和何相君等也报道了采用水力空化可强化酯交换反应制备生物柴油.水力空化可作为木质纤维素水解的预处理手段，用于制备燃料乙醇.Hilares等以甘蔗渣为原料，0.3 mol/L NaOH溶液进行碱法水解，采用水力空化对甘蔗渣的水解过程进行处理，在空化入口压力3 bar，温度70℃下，甘蔗渣中的纤维素和半纤维素水解率分别达93.05%和94.45%.Kim等以芦苇为原料，采用水力空化对NaOH水解过程进行处理，在41.1min内木质纤维素和半纤维素水解得到葡萄糖的产量可达326.5 g/kg芦苇.Patil等以小麦秸秆为原料，采用水力空化对NaOH水解过程进行预处理，甲烷（CH4）产量可达77.9 mL，高于无水力空化的甲烷产量31.8mL.由此可见，水力空化在強化生物质能源制备领域中有着独特的优势与开发空间，这也是水力空化过程在生物资源领域应用中的一个重要方向。

4展望

水力空化易于实现，过程仅需流体通过一个流通面积呈局部收缩变小的节流元件（如文丘里管、几何孔板），当液体的内部压强降低至或低于其饱和蒸汽压时即可产生空化现象，并可通过改变限流区域的管道直径、入口压力、节流面积、液体流速和液体温度等形式来调控空化强度，相比于超声空化，其耗能低、能效高和处理量大等特点，更具有规模性工业化应用优势.目前，水力空化在水处理、环境保护和材料科学领域都已有所应用，尤其在水处理领域应用更为广泛.但是，水力空化作为液体特有的现象，其空化产生的“热点”效应、机械效应和羟自由基效应等空化效应，使其在生物资源领域也逐渐有所突破，研究成果不断涌现.由此可见，随着水力空化技术及其理论的不断发展与完善，其作为一项新型的过程强化手段在生物资源领域的利用是其重要的研究方向，同时也将具有更广阔的的应用前景。