超声波强化多孔介质中油类污染物脱除过程的机理研究

The low deoiling efficiency is a critical problem for recycling processing of oily solid waste. For solving this urgent problem, ultrasonic treatment is applied to the deoiling process of porous solid waste. The mechanism on ultrasonic treatment enhancing removal of oil contaminants in a porous media is studied from pore scale in this project. Firstly, the characteristics of molecular dynamics on adsorption and desorption of oil droplets in the porous media are investigated by means of microscopic visualization experiment. The stripping phenomenon of oil droplets adsorbing on the pore surface subjected to the local micro-jets caused by momentary collapses of cavitation bubbles is focused on specially. Secondly, the rules of agglomeration or dispersion of suspended oil droplets in a porous media are analyzed under various ultrasonic operating conditions. The size distribution of free oil droplets is characterized based on fractal theory, and then the change trend of size distribution of oil droplets is quantified by fractal dimension. Finally, lattice Boltzmann method is applied on simulation of oil transfer in porous media under ultrasonic treatment. Dynamic characteristics of oil droplet migration in pore channel under ultrasound are studied. The influence of ultrasonic sponge effect on migration of free oil located in pores is discussed. The mechanism on ultrasonic treatment enhancing removal of oil contaminants in a porous media is systematically revealed in this study. It provides a theoretical guidance for the practical application and generalization of ultrasonic technology on recycling processing of oily solid waste.

针对含油固体废弃物资源化处理中脱油效率低的问题，将超声波技术应用于多孔固体废弃物的脱油过程，从孔隙尺度对超声波强化多孔介质油类污染物脱除过程的作用机制进行研究。首先通过微观可视化实验台对多孔介质孔隙表面油滴吸附及解析过程的动力学特性进行分析，重点研究超声空化气泡湮灭瞬间形成的局部微射流对孔隙表面吸附油滴的剥离现象。其次，研究不同超声工况下，多孔介质内不同尺度悬浮油滴的凝聚或分散规律，并基于分形理论表征孔隙内游离油滴尺度分布，采用分形维数对油滴尺度分布的变化趋势进行量化。最后，基于LBM建立超声波强化多孔介质内部油分迁移模型，模拟研究超声耦合作用下油滴在多孔介质孔隙通道中迁移的动力学特性，探讨超声海绵效应对多孔介质孔隙内油相输运的强化机制。本课题对超声波强化多孔介质油类污染物脱除机理的系统揭示，为超声技术在含油固体废弃物处理中的实际应用和推广提供理论指导。

含油固体废弃物的脱油处理是其资源化处理中的关键环节，不仅可以缓解含油污染物对环境产生的巨大压力，同时可以对油品进行有效回收利用，提高资源利用率，高效环保的脱油技术对含油废弃物的资源化处理具有重要意义。项目针对超声波辅助含油固体废弃物的脱油技术，对超声波强化多孔介质油类污染物脱除过程的作用机理进行系统研究，采用数值模拟及可视化实验相结合的方法，从超声作用下固体表面吸附油滴脱附特性、油滴破碎特性、砂粒孔隙变化及超声声压对油滴在孔隙中迁移的强化作用等方面展开相关研究。项目首先对超声波空化泡溃灭过程微射流形成、微射流对固体表面吸附油滴的脱附及油滴破碎过程进行数值模拟，通过可视化实验台对超声探头振动表面及砂粒表面吸附油滴的脱附过程进行研究。其次，项目对超声驻波作用下油滴破碎过程进行了数值模拟，并对超声作用下油滴的破碎状态进行了可视化实验研究。最后，基于LBM方法对超声声压作用下油滴在多孔介质孔隙通道中迁移特性进行模拟研究，分析声压幅值、油滴尺度对油滴迁移过程的影响。对超声作用下砂粒中油滴迁移脱除过程进行可视化实验，并对砂粒振动过程中孔隙变化规律进行研究，对不同尺度孔隙中油滴的迁移过程进行了模拟分析。研究表明，超声空化泡产生的气泡流、空化泡持续溃灭产生的微射流、超声声压梯度、超声振荡作用下砂粒在跳跃、跌落和翻滚过程中产生的逆向流体剪切力及整体孔隙尺度变化，是超声波强化多孔介质中油滴脱除的主要作用机制。项目研究成果对超声技术在含油多孔废弃物处理中高效利用具有一定的理论指导价值。