隨著(zhù)我國社會(huì )經(jīng)濟的飛速發(fā)展，廢水處理廠(chǎng)的規模不斷擴大，處理程度不斷提高。然而有機廢水嚴重污染環(huán)境，造成地面水體惡化，對人體健康和整個(gè)社會(huì )的可持續發(fā)展造成了威脅。有機廢水處置已成為困擾廢水處理廠(chǎng)和全社會(huì )的重大問(wèn)題。近年來(lái)，發(fā)現超聲波可用于降解有機廢水。
超聲波降解廢水中的有機污染物是一項新型的水處理技術(shù)，它集高級氧化、熱解、超臨界氧化等技術(shù)于一體，操作簡(jiǎn)單，降解速度快，既能單獨處理，又可以和其他水處理技術(shù)聯(lián)合使用，具有廣泛的應用前景，是一種環(huán)境友好型水處理技術(shù)。文章主要對超聲波降解苯酚廢水的效果進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的研究。
1 含酚類(lèi)有機廢水
有機廢水是以有機污染物為主的廢水，它易造成水質(zhì)富營(yíng)養化，危害較大。排放有機廢水的行業(yè)較多，主要來(lái)源于食品、發(fā)酵、屠宰、皮革、造紙、制糖、橡膠、紡織、印染、農藥、焦化、石化等工業(yè)廢水及城鎮生活污水。有機污染物的成分很復雜，常用生化需氧量(BOD)或化學(xué)需氧量(COD)綜合表示其含量，是有機廢水處理去除的主要指標。近十年來(lái)，高濃度有機廢水和難生物降解有機廢水對環(huán)境造成極大的污染，這些污染源的有效處理一直是環(huán)境工程治理領(lǐng)域的難題。
酚類(lèi)化合物常做為工業(yè)生產(chǎn)廢水排放到自然環(huán)境中，是毒性極大的污染物，是美國環(huán)保局重點(diǎn)控制的129種污染物之一，也是我國優(yōu)先控制的污染物之一，這些廢水如果不經(jīng)處理大量排放，將會(huì )給環(huán)境造成嚴重污染。
有機廢水處理的基本任務(wù)是去除其中各種有機物，而有機廢水的復雜性使得其處理方法幾乎包容廢水處理的所有處理方法。傳統方法有分離處理、轉化處理、稀釋處理等。超聲波技術(shù)能夠有效地破壞或者改變復雜化合物及難以生物降解材料的結構，從而能氧化分解傳統方法所不能處理的廢水。這一特性使其在廢水處理中有著(zhù)廣泛的應用前景。
2 超聲波降解技術(shù)
超聲波降解廢水中有機污染物的研究仍處于基礎研究階段，使用的范圍較小，聲能的利用率還較低，目前對于特定的系統還缺乏深入的研究，多屬于證實(shí)超聲波在水處理中的適用性，現在普遍認為超聲波降解水體中有機物的降解機理為空化理論及自由基理論。
超聲降解有機物的機理可主要歸結為如下三個(gè)方面：
(1)熱分解
熱分解發(fā)生在空化泡內，可以將進(jìn)入空化泡中的液體分子或溶于水的有機物汽化，聚集在空化泡內的能量足以將難斷裂的化學(xué)鍵打斷。
(2)H·和·OH自由基氧化
在水溶液中主要的熱反應是將水分子分解，空化泡內產(chǎn)生具有較高活性的H·和·OH自由基，它們進(jìn)入水溶液與水中的有機物進(jìn)行接觸并將有機物氧化。在空化泡內主要是熱分解，而在空化泡外的主要是自由基氧化。
(3)等離子化學(xué)和高級氧化
在空化泡的內表面上，其溫度和壓力都超過(guò)了臨界條件，超臨界流體具有類(lèi)似氣體的良好的流動(dòng)性，同時(shí)又有遠大于氣體的密度，因此具有許多獨特的理化性質(zhì)。在臨界狀態(tài)下，廢水中所含的有機物被分解成水、二氧化碳等簡(jiǎn)單無(wú)害的小分子。
不同的超聲波頻率、強度、密度和輻射時(shí)間等通過(guò)影響空化效率來(lái)影響廢水中污染物的降解。而有機廢水自身的特性直接影響污染物降解速率，如pH、污染物的揮發(fā)性、極性、形態(tài)結構等。
3 超聲波技術(shù)處理苯酚廢水
3.1 實(shí)驗儀器和試劑
苯酚(分析純)，HCI(分析純)，NaOH(化學(xué)純)；KQ-250E型超聲波發(fā)生器，紫外分光光度計，便攜式pH測量?jì)x。
3.2 實(shí)驗方法
(1)配制儲備液
用分析天平稱(chēng)取1.000 g的分析純苯酚，配制成一定濃度的苯酚溶液，置于棕色容量瓶中，避光保存。
(2)配制反應液
取一定量上述配制的苯酚儲備液，用蒸餾水稀釋?zhuān)鶕枰脷溲趸c和鹽酸溶液調節溶液的pH，定容到一定體積，得到待實(shí)驗用的反應液。
(3)超聲處理
取250 mL反應液，放入超聲波發(fā)生器內進(jìn)行降解反應，超聲發(fā)生器輸出功率250 W、工作頻率40 kHz，反應槽加蓋密封，開(kāi)啟超聲發(fā)生器，反應一定時(shí)間后取樣測定溶液中的苯酚濃度。
3.3 分析方法
采用紫外可見(jiàn)分光光度計測定苯酚濃度在最大吸收波長(cháng)λ=269.5 nm，測定其吸光度，同構回歸方程得到苯酚的降解率。
3.4 結果與討論
(1)初始濃度對苯酚超聲降解的影響
配制初始濃度分別為40.16 mg/L，91.27 mg/L，135.15 mg/L，172.22 mg/L的苯酚反應液各200 mL，在pH為7，溫度為30 ℃條件下用超聲波輻照4 h，不同初始濃度的苯酚的超聲降解效果如圖1所示。
圖1 不同初始濃度對苯酚降解效果的影響
Fig.1 Different initial concentration of phenol degradation effect
由圖1可知，苯酚初始濃度對降解效果的影響比較明顯。在40～170 mg/L的濃度范圍內，苯酚的降解率先是隨初始濃度的增加而增加，當濃度達到135 mg/L左右時(shí)其降解效率最好，隨后其降解率又隨初始濃度的增加而降低。由此可見(jiàn)，超聲對苯酚的降解效果并不是濃度越低越好，在一定范圍內，較大溶液初始濃度對苯酚的降解去除率較大；并且通過(guò)對反應時(shí)間的測定，確定超聲最佳反應時(shí)間為4 h。
(2)溫度對苯酚超聲降解的影響
配制初始濃度為135 mg/L，pH為7的苯酚溶液各200 mL，分別在20 ℃，30 ℃，40 ℃和50 ℃條件下用超聲波輻照4 h，不同溫度對苯酚的降解效果如圖2所示。
由圖2可知，經(jīng)過(guò)4 h的反應，20 ℃條件下，苯酚的降解率為1.21 %，30 ℃條件下，苯酚的降解率為4.20 %。由此說(shuō)明，并不是溫度越高超聲降解的效果越好，但是較高溫度可促進(jìn)苯酚的降解。溫度升高使得超聲的空化效應提高，促使大量的苯酚進(jìn)入空化泡進(jìn)行裂解反應，但是另一方面過(guò)高的溫度又使液體的粘度增加減弱了空化強度，因此，適宜的溫度可有效提高苯酚的降解。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖2 不同溫度對超聲降解的影響
Fig.2 Effect of different temperature on ultrasonic degradation
(3)曝氣對苯酚超聲降解的影響
曝氣是在溶液底部通入空氣，可強化傳質(zhì)效果，加速降解。配制初始濃度為135 mg/L，pH為3的苯酚反應液各200 mL，反應溫度為40 ℃，在超聲波輻照苯酚水溶液的過(guò)程中分別在僅曝氣處理、僅超聲輻照處理、超聲和曝氣聯(lián)合處理的條件下進(jìn)行實(shí)驗，苯酚水溶液經(jīng)的超聲波輻照4 h，其實(shí)驗結果如圖3所示。
由圖3可知，單獨曝氣時(shí)苯酚的降解率僅有1.58 %；單獨超聲波輻照時(shí)苯酚的降解率為5.64 %；同時(shí)曝氣和超聲時(shí)苯酚的降解率為6.78 %，比兩者中任何一個(gè)因素單獨作用時(shí)的效果都要高。這是因為在超聲輻照苯酚水溶液的過(guò)程中同時(shí)通入空氣后，水中產(chǎn)生的·OH自由基的量增加，從而使苯酚和·OH自由基反應幾率增大。
圖3 曝氣對苯酚降解效果的影響
Fig.3 Effect of aeration on the degradation of phenol
4 結論
超聲波降解苯酚具有一定的效果，并且苯酚初始濃度、溫度等因素對苯酚的超聲降解影響都比較大。在135 mg/L，初試溫度為30 ℃，反應4 h，曝氣和超聲聯(lián)合處理時(shí)，苯酚的降解率可達6.78 %。由于苯酚為難降解有機物，單獨的超聲處理苯酚，即使選擇最佳條件也不能達到理想的效果，而物理能場(chǎng)和化學(xué)氧化劑的結合可大大提高苯酚的降解率。
