設備介紹
首頁
技術園地
設備介紹

超音波原理與硬體 設備介紹

1. 超音波原理

超音波(ultrasound)是指頻率超過20 kHz以上的聲波,如圖一所示,可分成3個領域的應用,20 kHz至100 kHz是功率超音波(power ultrasound)、100 kHz至1 MHz是高頻超音波(high frequency ultrasound)以及1 MHz至500 MHz是診斷超音波(diagnostic ultrasound)。不同的頻率有不同的用途,以污泥減量而言,重點在於固體物的破壞效果,其適合的頻率是在20 kHz至100 kHz。


 

圖1超音波的頻率範圍


超音波的原理是利用聲波與水中的微小氣泡作用,使其在極短的時間與極小的體積發生空穴效應(cavitation),如圖二所示。當空穴效應發生時,會產生強大的衝擊力,可以有效破壞周圍細胞的外部結構,使其產生污泥水解的效果,同時,空穴效應也會形成一極端環境的熱點(hot spot),在熱點中會形成高達數千度的高溫與數千atm的高壓環境,其周圍的水分子便會產生高氧化力的氫氧自由基,因此,超音波亦具有廢水高級氧化的處理能力
 


 圖2超音波產生空穴效應的機制


2. 超音波硬體構造

超音波的硬體包含三個單元:超音波換能器(converter或transducer)、超音波增幅器(booster)與超音波喇叭(horn或sonotrode),如圖三所示。上述三個單元為超音波的機械硬體,可以說是在超音波污泥水解中最主要的系統,其功能包含了機電能量轉換、超音波能量傳遞及超音波強度放大等功能。在超音波的簡易應用中。例如:常見的超音波清洗槽,僅需要超音波換能器即可進行應用工作。然而通常直接來自超音波換能器的位移輸出,僅有數十微米,對於特殊領域的應用。例如:焊接、乳化,需要更大的位移強度,因此需要進一步如槓桿作用的方式,利用機械放大的方式將超音波強度增強。也因此,超音波強度放大及能量傳遞的效果高低,就與機械放大器(增幅器及喇叭)的設計有著即為密切的關係。


 

圖3典型的超音波硬體系統構造圖[3]


3. 工研院開發之超音波反應器

工研院設計並製作一套超音波硬體,使用頻率為20 kHz,horn直徑為5公分,材質為鈦合金,輸出功率為300-500 W。此自製的超音波硬體經量測不同頻率與強度的關係,其最大強度中心的頻率為19.531 kHz,與設定之20 kHz誤差2.3%,Q值為5.58。各項元件經組合後之超音波污泥減量系統如圖四所示。


 
圖4工研院超音波污泥減量系統