超聲波在有機廢水處理中的應用研究

關(guān)鍵詞：超聲波；空化；廢水處理；降解

摘要：介紹了超聲降解水體中有機污染物的降解機理。從超聲的系統因素包括頻率和聲強；化學(xué)因素包括溶解氣體、pH值、反應溫度等的多個(gè)方面介紹了影響降解效率的因素。

超聲波是一種高頻機械波，具有波長(cháng)較短，能量集中的特點(diǎn)，它的應用主要是按照能量大，沿直線(xiàn)傳播這兩個(gè)特點(diǎn)展開(kāi)的。20世紀90年代初，國外等一些學(xué)者開(kāi)始研究超聲降解水中有機污染物。超聲波技術(shù)具有簡(jiǎn)便、高效、無(wú)污染或少污染的特點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展的一項新型水處理技術(shù)。它集高級氧化、熱解、超臨界氧化等技術(shù)于一體，且降解速度快、能將水體中有害有機物轉變成CO2 、H2O、無(wú)機離子或比原有機物毒性小易降解的有機物，因而在處理難生物降解有機污染物方面具有顯著(zhù)的優(yōu)越性。 
 
1. 基本理論和機理 
 
在空化效應作用下，有機物的降解過(guò)程可以通過(guò)高溫分解或自由基反應兩種歷程進(jìn)行。
 
1.1 空化理論

超聲波在介質(zhì)中的傳播過(guò)程中存在著(zhù)一個(gè)正負壓強的交變周期。在正壓相位時(shí),超聲波對介質(zhì)分子擠壓，增大了液體介質(zhì)原來(lái)的密度；而在負壓相位時(shí)，介質(zhì)的密度則減小。當用足夠大振幅的超聲波作用于液體介質(zhì)時(shí)，在負壓區內介質(zhì)分子間的平均距離會(huì )超過(guò)使液體介質(zhì)保持不變的臨界分子距離,液體介質(zhì)就會(huì )發(fā)生斷裂，形成微泡，微泡進(jìn)一步長(cháng)大成為空化氣泡。在緊接著(zhù)的壓縮過(guò)程中，這些空化氣泡被壓縮，其體積縮小，有的甚至完全消失。當脫出共振相位時(shí)，空化氣泡就不再穩定了，這時(shí)空化氣泡內的壓強已不能支撐其自身的大小，即開(kāi)始潰陷或消失，這一過(guò)程稱(chēng)為空化作用，或孔蝕作用。
 
由于空化作用所引起的反應條件的變化，導致了化學(xué)反應的熱力學(xué)變化，使化學(xué)反應的速度和產(chǎn)率得以提高。
 
1.2 自由基理論

在超聲空化產(chǎn)生的局部高溫、高壓環(huán)境下，水被分解產(chǎn)生H和OH自由基： 
          H2O →HO•+ H• 
          H•+ H•→H2 
          HO• + HO•→H2O2 
          H•+HO•→H2O

另外溶解在溶液中的空氣(N2和O2)也可以發(fā)生自由基裂解反應產(chǎn)生N和O自由基： 
          N2→2N• 
          N•+HO•→NO+ H• 
          NO + HO•→HNO3 
 
2. 影響超聲降解的主要因素 
 
影響超聲降解的主要因素包括溶解氣體、pH值、反應溫度、超聲功率強度和超聲波頻率等。
 
2.1 溶解氣體
 
溶解氣體的存在可提供空化核、穩定空化效果、降低空化閾，對超聲降解速率和降解程度的影響主要有兩個(gè)方面的原因：(1)溶解氣體對空化氣泡的性質(zhì)和空化強度有重要的影響；(2) 溶解氣體如N2O2產(chǎn)生的自由基也參與降解反應過(guò)程，因此，影響反應機理和降解反應的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為。
 
2.2 pH值

對于有機酸堿性物質(zhì)的超聲降解，溶液pH值具有較大影響。當溶液pH值較小時(shí)，有機物質(zhì)在水溶液中以分子形式存在為主，容易接近空化泡的氣液界面，并可以蒸發(fā)進(jìn)入空化泡內，在空化泡內直接熱解；同時(shí)又可以在空化泡的氣液界面上和本體溶液中同空化產(chǎn)生的自由基發(fā)生氧化反應，降解效率高。當溶液pH值較大時(shí),有機物質(zhì)發(fā)生電離以離子形式存在于溶液中，不能蒸發(fā)進(jìn)入空化泡內，只能在空化泡的氣液界面上和本體溶液中同自由基發(fā)生氧化反應，降解效率較低超聲降解發(fā)生在空化核內或空化氣泡的氣-液界面處，離子不易接近氣-液界面，很難進(jìn)入空化泡內，因此，溶液的pH值調節應盡量有利于有機物以中性分子的形態(tài)存在并易于揮發(fā)進(jìn)入氣泡核內部。
 
2.3 溫度

溫度對超聲空化的強度和動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有非常重要的影響，從而造成超聲降解的速率和程度的變化。不同溫度下，實(shí)驗表明溫度提高有利于加快反應速度，但超聲誘導降解主要是由于空化效應而引起的反應，溫度過(guò)高時(shí)，在聲波負壓半周期內會(huì )使水沸騰而減小空化產(chǎn)生的高壓，同時(shí)空化泡會(huì )立即充滿(mǎn)水汽而降低空化產(chǎn)生的高溫，因而降低降解效率。一般聲化學(xué)效率隨溫度的升高呈指數下降，因此，低溫(小于20℃)較為有利于超聲降解實(shí)驗,一般都在室溫下進(jìn)行。多數研究也表明，溶液溫度低對超聲降解有利。

2.4 超聲波頻率

研究表明，并非頻率越高降解效果越好。超聲頻率與有機污染物的降解機理有關(guān)，以自由基為主的降解反應存在一個(gè)最佳頻率；以熱解為主的降解反應，當超聲聲強大于空化閾值時(shí)，隨著(zhù)頻率的增大，聲解效率增大。

2.5 超聲功率強度

超聲功率強度是指單位聲發(fā)射端面積在單位時(shí)間內輻射至反應系統中的總聲能，一般以單位輻照面積上的功率來(lái)衡量。一般來(lái)說(shuō)，超聲功率強度越大越有利于降解反應，但過(guò)大時(shí)又會(huì )使空化氣泡產(chǎn)生屏蔽，可利用超聲功率強度能量減少，降解速度下降。 
 
3. 結語(yǔ) 
 
超聲處理是一個(gè)極其復雜的過(guò)程。不同物化性質(zhì)的有機污染物，因降解機理不同，超聲降解的效果也存在差異。利用超聲空化技術(shù)，只有針對具體的有機污染物，優(yōu)化反應操作條件才能獲得最佳的超聲降解效果。今后有關(guān)超聲空化技術(shù)的研究方向是，針對實(shí)際多組分難降解物系在降解機理、物質(zhì)平衡、反應動(dòng)力學(xué)、反應器設計放大等方面進(jìn)行深入的研究，使其最終成為一種適用、高效和低成本的水處理技術(shù)。 
 
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