综述：旋转空化器：空化增强技术的进展与应用

《Ultrasonics Sonochemistry》：Rotational cavitator: advances and applications in cavitation-enhanced technologies

本综述系统阐述了旋转空化器（Rotational Cavitator）作为一种高效、节能的过程强化技术，其核心在于通过高速旋转的转子-定子系统诱导强烈的剪切力和湍流，产生可控的空化效应（气泡成核、生长和溃灭），并释放局部高温（数千K）、高压（>500 MPa）、微射流（>100 m/s）和自由基（如·OH）。文章重点分析了其在生物燃料（生物柴油、沼气）生产、液滴乳化、食品加工（灭菌、提取）、废水污泥处理等生命科学与健康医学相关领域的关键应用，揭示了其通过物理剪切、热效应和自由基氧化等多重机制强化传质传热、破坏细胞结构、加速反应进程的独特优势，为绿色、可持续的工业技术发展提供了新视角。

　　

旋转空化器：原理与机制

空化（Cavitation）作为一种物理现象，涉及气泡在压力波动下的成核、生长、迁移和溃灭过程。当局部压力降至液体饱和蒸气压以下时，空化发生；气泡溃灭瞬间释放的巨大能量可产生极端物理条件（如冲击波、微射流、强剪切力）和化学效应（如羟基自由基·OH生成）。与传统的水力空化（如文丘里管、孔板）和声空化（超声波）设备相比，旋转空化器（Rotational Cavitator）通过高速转子-定子系统在液体介质中产生瞬态低压区，形成稳定且可调的空化区域，具有能耗低、强度可控、易于放大等优势。其性能可通过空化数（C_v）和旋转雷诺数（Re_Ω）等无量纲参数进行评估，空化数的不同定义（如基于转子切向速度、入口压力等）反映了设备几何和操作条件的多样性。

生物燃料生产中的应用

在生物柴油（Biodiesel）领域，旋转空化器通过强烈的微尺度混合效应显著加速了酯交换反应（Transesterification）。研究表明，采用凹坑型（Indentation-type）转子，在优化条件（如3000 rpm，甲醇与油摩尔比6:1，催化剂KOH 1.5 wt%）下，可使废烹饪油（Waste Cooking Oil, WCO）在极短时间（如30秒）内脂肪酸甲酯（FAME）转化率高达98.6%，能耗（12.5 W·h/kg）远低于传统搅拌罐和超声波反应器。其机制在于空化气泡溃灭产生的微射流和剪切力将反应物破碎为微米级液滴，极大增加了界面面积，促进了传质。对于高游离脂肪酸（FFA）原料，旋转空化辅助的酯化预处理可有效降低FFA含量（如从11.46%降至1.03%），为后续碱催化反应创造条件。

在沼气（Biogas）生产方面，旋转空化预处理能有效破解小麦秸秆等木质纤维素原料的顽固结构，释放更多可生物降解有机物。空化产生的剪切力和冲击波可破坏植物细胞壁，促进纤维素和半纤维素水解，同时产生的自由基有助于木质素氧化。实验表明，经旋转空化处理后，小麦秸秆的甲烷产气量可提升144%。与碱处理联用，效果更佳，显示出在强化厌氧消化（Anaerobic Digestion）方面的巨大潜力。

液滴乳化与纳米乳液制备

旋转空化器在制备油包水（O/W）或水包油（W/O）纳米乳液方面展现出高效能。其强烈的剪切和湍流能有效减小液滴尺寸，提高乳液稳定性。例如，用于制备石蜡油/水纳米乳液时，在2000-2500 rpm下可获得平均粒径约590 nm的乳液，且稳定性超过4周，能耗较超声波法降低约25%。其机制是转子高速旋转产生的空化效应使液滴发生剧烈变形和破碎。在柴油-生物柴油-水纳米乳化燃料的制备中，优化后的旋转空化器可产生平均粒径为257.6 nm的稳定乳液，且能显著降低发动机氮氧化物（NO_x）排放。这种技术为化妆品、制药和燃料等领域提供了一种连续、高效、低成本的乳化方案。

食品加工与灭菌

在食品工业中，旋转空化器被用于液体食品的低温巴氏灭菌、植物活性成分提取、蛋白质改性以及乳制品加工。对于苹果汁、番茄汁和牛奶的灭菌，旋转空化在相对较低温度（如65.6-76.7 °C）下即可实现显著的微生物灭活（如对酿酒酵母S. cerevisiae达到6.27 log CFU/mL的减少），同时更好地保留了食品的营养和感官品质。其灭菌机制是空化溃灭产生的机械剪切、局部热效应和自由基氧化协同作用，破坏微生物细胞结构。在乳制品方面，旋转空化处理可有效均质化脂肪球，改善希腊式酸奶的质构，并提高乳蛋白浓缩物（MPC）的复水性和溶解性。

废水与污泥处理

旋转空化技术在废水处理中主要用于难降解有机污染物（如药物Ciprofloxacin、Triclosan）的降解、病原微生物（如E. coli）的灭活以及剩余污泥（Waste Activated Sludge, WAS）的破解。空化产生的羟基自由基（·OH）能氧化分解有机物，而强烈的剪切力则能破坏污泥絮体及微生物细胞，释放胞内物质，提高污泥的可生化性。采用销钉盘（Pinned-disk）式旋转空化器处理市政废水，在优化条件下化学需氧量（COD）去除率可达31%，且能耗较低。与臭氧（O₃）或过氧化氢（H₂O₂）联用，可显著增强处理效果。

其他过程强化应用

除上述领域外，旋转空化还可用于强化传热（如作为加热器，热效率可达90.42%）、加速洗涤剂溶解、改善纸浆性能以及促进气体（如H₂/CO₂）在液相的传质（用于生物甲烷化）等。这体现了其作为一种通用过程强化技术的广泛适用性。

设备类型与空化机制

旋转空化器的结构设计直接影响其空化性能和效率。主要类型包括：

1. 1.
   凹坑型旋转空化器：转子上分布有规则凹坑，流体流经凹坑时因流速变化和离心力产生局部低压诱发空化。结构简单，应用广泛。
2. 2.
   径向锯齿型旋转空化器：转子/定子边缘呈锯齿状，形成类似文丘里的收缩-扩张流道，主要通过剪切作用诱发空化。适用于高强度剪切应用。
3. 3.
   轴向锯齿型旋转空化器：多个转子-定子对轴向排列，产生周期性剪切，增强空化效果。
4. 4.
   销钉盘式旋转空化器：转子和定子上布置交错排列的圆柱形销钉，流体流过时产生涡旋脱落和压力脉动，诱发空化。在处理废水方面表现出高能效。
5. 5.
   混合几何结构旋转空化器：结合了凹坑和剪切结构的优点，能产生更复杂、更强烈的空化场（如片状空化和涡空化共存）。

挑战与展望

尽管旋转空化技术优势明显，但其大规模工业应用仍面临一些挑战：不同物料体系对空化强度的响应差异较大，需优化操作参数；设备结构相对复杂，存在转子-定子磨损和空蚀问题；处理高固含量物料时可能存在堵塞风险；整体能效仍有提升空间。未来研究需结合计算流体力学（CFD）模拟和高分辨率实验诊断，深入揭示空化流场机理，优化反应器结构设计，开发耐腐蚀、抗空蚀材料，并探索其与其他技术（如超声波、高级氧化工艺）的耦合，以进一步推动该技术在生命科学、健康医学及环境工程等领域的绿色、可持续发展。