治理的有機廢水，也是國內外廢水處理的一大難題。甲基橙是一種水溶性偶氮染料，被廣泛應用于紡織、造紙、印染、制藥和食品工業(yè)，在染料廢水中具有一定的代表性；另外甲基橙在紫外可見(jiàn)光譜中有一特征吸收峰，易于實(shí)驗和檢測。對于偶氮染料甲基橙廢水，目前主要的處理方法有吸附法、絮凝沉淀、電化學(xué)法、氧化法和生物降解法〔1, 2〕，但常規的處理方法很難達到理想的處理效果。
近年來(lái)，超聲波作為一種新型水處理方法，因具有去除效率高、反應時(shí)間短、設施簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而備受關(guān)注〔3, 4〕，并被廣泛應用于污水處理〔5, 6〕。超聲處理廢水的機理是超聲空化，空化效應產(chǎn)生了高溫高壓、超臨界水狀態(tài)以及羥基自由基（·OH），這些極端的物理化學(xué)條件為水中有機物氧化降解提供了可能。湯茜等〔7, 8〕的研究結果表明，單獨使用超聲對甲基橙的降解效果不明顯。另有研究表明，采用高頻超聲及復頻超聲降解偶氮染料，脫色效果明顯〔9〕。本研究采用復頻超聲波污水處理裝置處理甲基橙模擬廢水，并對影響處理效果的因素進(jìn)行了考察。
1 實(shí)驗部分
1.1 實(shí)驗裝置
自制復頻超聲波污水處理裝置〔10〕見(jiàn)圖 1。其中 A-A 剖視圖主要體現3 個(gè)換能器的平面布置。
圖 1 復頻超聲波污水處理裝置
自制復頻超聲波污水處理裝置是一臺污水處理的中試機（發(fā)明專(zhuān)利：ZL201010129830.6）。該裝置采用3 個(gè)獨立的換能器，頻率分別為20、100、 200 kHz；每個(gè)換能器功率為0～200 W 可調。3 個(gè)換能器同時(shí)工作，復合功率可達500 W，3 種頻率相互迭加形成混響場(chǎng)〔11〕。
1.2 實(shí)驗儀器
實(shí)驗所用儀器有722 型分光光度計（上海菁華科技儀器有限公司）、5B-1（F）型COD 快速測定儀（蘭州連華環(huán)�？萍加邢薰荆�、pHS-3C 型酸度計（上海雷磁儀器廠(chǎng)）、RHS10 型水聽(tīng)器（杭州瑞利超聲器件公司）、TDS1012B 型示波器（美國Tektronix）等。
1.3 實(shí)驗步驟
（1）配制不同濃度的甲基橙溶液。取1.00 g 甲基橙于1 000 mL 容量瓶中，用水稀釋至刻度，以此作為儲備原液。按實(shí)驗要求對儲備原液進(jìn)行稀釋?zhuān)渲瞥刹煌瑵舛鹊募谆热芤骸?/P>
（2）正交實(shí)驗。以超聲作用時(shí)間、甲基橙初始濃度及超聲功率為影響因素，以脫色率為評價(jià)指標進(jìn)行正交實(shí)驗，考察各因素對處理效果的影響。
（3）其他影響因素分析。在正交實(shí)驗得出的最佳工藝條件下，考察溶液pH、溫度以及加入氯鹽對脫色率和COD 去除率的影響。
1.4 測定方法
COD 的測定采用重鉻酸鉀法，COD 去除率按式（1）進(jìn)行計算：
式中：C0———溶液初始 COD，mg/L；
C———處理后溶液 COD，mg/L。
甲基橙濃度采用分光光度法，在465 nm 波長(cháng)下測定，脫色率按式（2）進(jìn)行計算：
式中：A0———溶液初始吸光度；
A———處理后溶液吸光度。
2 實(shí)驗結果與討論
前期實(shí)驗結果表明，頻率越高，降解速率越快，故本研究采用超聲頻率為20 kHz+100 kHz+200 kHz 的復頻超聲波污水處理裝置處理甲基橙模擬廢水，在此基礎上，進(jìn)一步研究了其他條件對降解甲基橙模擬廢水的影響。
2.1 正交實(shí)驗
根據本實(shí)驗裝置的性能及前期實(shí)驗結果確定的正交實(shí)驗因素水平見(jiàn)表 1，正交實(shí)驗結果見(jiàn)表 2。
由表 2 可知，各因素的權重為復頻超聲功率＞超聲作用時(shí)間＞甲基橙初始濃度； 當甲基橙初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，超聲功率為300 W，超聲作用時(shí)間為90 min 時(shí)，脫色率達到最大，為95.77%。
根據實(shí)驗裝置的性能，考慮到時(shí)間和功率的交互作用，確定150 W 為最佳功率。
因此，復頻超聲降解甲基橙模擬廢水的最佳工藝條件為甲基橙初始質(zhì)量濃度10 mg/L、復頻超聲功率150 W、超聲作用時(shí)間90 min，在此條件下，脫色率達89.6%。
2.2 溶液pH 的影響
取10 mg/L 的甲基橙溶液，調節pH，在復頻超聲功率為150 W ，超聲作用時(shí)間為90 min 的條件下，考察溶液pH 對處理效果的影響，結果如圖 2、圖 3 所示。
圖 2 溶液pH 對脫色率的影響
圖 3 溶液pH 對COD 去除率的影響
由圖 2 可知，當pH 在3～8 時(shí)，脫色率的起伏較小，保持在85%～90%；當pH=2 時(shí)，脫色率最高，達 98%以上。復頻超聲對甲基橙的脫色效果與溶液的 pH 密切相關(guān)，pH=2 時(shí)的脫色率遠比堿性條件下高，這是因為在pH＜3 的酸性條件下甲基橙為醌式結構，而堿性條件下為偶氮式結構，醌式結構甲基橙的疏水性比偶氮結構大，更容易擴散到疏水性的空化泡內及氣-液界面上被·OH 氧化和高溫熱解。但 pH 不可過(guò)低，因為H+濃度過(guò)高會(huì )抑制H2O 向羥基自由基的轉化。
由圖 3 可知，當pH 在3～7 時(shí)，COD 去除率保持在90%以上，當pH=6.8 時(shí)，COD 去除率達到最大，為96.7%。
實(shí)驗結果表明，當pH 在3～7 時(shí)，脫色率和COD 去除率可分別保持在90%和95%左右；單獨考慮脫色率時(shí)，pH=2 時(shí)為最佳。
2.3 其他因素的影響
在10 mg/L 的甲基橙溶液中加入0.25～1.00 g/L 的CaCl2、BaCl2 和NaCl，在復頻超聲功率為150 W ，超聲作用時(shí)間為90 min 的條件下，考察氯鹽種類(lèi)及其投加量對處理效果的影響。實(shí)驗結果表明，脫色率和COD 去除率均隨氯鹽濃度的增大而增大，其中以 CaCl2 最為顯著(zhù)。添加0.75 g/L 的CaCl2 可使10 mg/L 的甲基橙模擬廢水的脫色率和COD 去除率均超過(guò) 96%。氯鹽的種類(lèi)和濃度對處理效果的影響與氯鹽的溶解度、電離度有關(guān)，溶解度、電離度越大，溶液中離子濃度就越大，從而抑制甲基橙分子轉變?yōu)殡x子態(tài)，使更多的甲基橙分子進(jìn)入空化泡，提高了降解速率。
將10 mg/L 甲基橙溶液的溫度分別控制在15、 35、50 ℃，在復頻超聲功率為150 W ，超聲作用時(shí)間為90 min 的條件下，考察溫度對處理效果的影響。結果表明，溫度對脫色率的影響較大，對COD 去除率幾乎沒(méi)有影響。溫度越高，脫色率越大，當溫度由 15 ℃ 升高到50 ℃時(shí)，脫色率由77% 提高到96%。這是由于溶液的黏度隨溫度的升高而減小，從而有利于甲基橙分子進(jìn)入空化泡進(jìn)行高溫熱解。但溫度不能過(guò)高，溫度過(guò)高，蒸氣壓過(guò)大，會(huì )減弱空化作用。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
采用超聲頻率為20 kHz+100 kHz+200 kHz 的復頻超聲波污水處理裝置處理甲基橙模擬廢水的最佳工藝條件：甲基橙初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，復頻超聲功率為150 W，超聲作用時(shí)間為90 min。在最佳工藝條件下，當10 mg/L 的甲基橙溶液的pH=2 時(shí)，脫色率達98%，COD 去除率達71%； 添加0.75 g/L 的CaCl2 及控制溫度為50 ℃，均對甲基橙降解有利。實(shí)驗證實(shí)，采用復頻超聲處理甲基橙廢水效果顯著(zhù)，復頻超聲功率、超聲作用時(shí)間、甲基橙溶液初始濃度、pH、溫度及添加氯鹽均影響復頻超聲處理甲基橙廢水的效果。
