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基于超聲波在有機廢水處理中的應(yīng)用研究
論文關(guān)鍵詞：超聲波；空化；廢水處理；降解
論文摘要：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(tǒng)因素包括頻率和聲強；化學(xué)因素包括溶解氣體、pH值、反應(yīng)溫度等的多個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，具有波長較短，能量集中的特點，它的應(yīng)用主要是按照能量大，沿直線傳播這兩個特點展開的。20世紀(jì)90年代初，國外等一些學(xué)者開始研究超聲降解水中有機污染物。超聲波技術(shù)具有簡便、高效、無污染或少污染的特點，是近年來發(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(zhuǎn)變成CO2 、H2O、無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的優(yōu)越性。
1. 基本理論和機理
在空化效應(yīng)作用下，有機物的降解過程可以通過高溫分解或自由基反應(yīng)兩種歷程進行。
1.1 空化理論
超聲波在介質(zhì)中的傳播過程中存在著一個正負(fù)壓強的交變周期。在正壓相位時,超聲波對介質(zhì)分子擠壓，增大了液體介質(zhì)原來的密度；而在負(fù)壓相位時，介質(zhì)的密度則減小。當(dāng)用足夠大振幅的超聲波作用于液體介質(zhì)時，在負(fù)壓區(qū)內(nèi)介質(zhì)分子間的平均距離會超過使液體介質(zhì)保持不變的臨界分子距離,液體介質(zhì)就會發(fā)生斷裂，形成微泡，微泡進一步長大成為空化氣泡。在緊接著的壓縮過程中，這些空化氣泡被壓縮，其體積縮小，有的甚至完全消失。當(dāng)脫出共振相位時，空化氣泡就不再穩(wěn)定了，這時空化氣泡內(nèi)的壓強已不能支撐其自身的大小，即開始潰陷或消失，這一過程稱為空化作用，或孔蝕作用。
由于空化作用所引起的反應(yīng)條件的變化，導(dǎo)致了化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)變化，使化學(xué)反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(wěn)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(yīng)過程，因此，影響反應(yīng)機理和降解反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(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(dāng)溶液pH值較小時，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)進入空化泡內(nèi)，在空化泡內(nèi)直接熱解；同時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(yīng)，降解效率高。當(dāng)溶液pH值較大時,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)進入空化泡內(nèi)，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(yīng)，降解效率較低超聲降解發(fā)生在空化核內(nèi)或空化氣泡的氣-液界面處，離子不易接近氣-液界面，很難進入空化泡內(nèi)，因此，溶液的pH值調(diào)節(jié)應(yīng)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)進入氣泡核內(nèi)部。
2.3 溫度
溫度對超聲空化的強度和動力學(xué)過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，實驗表明溫度提高有利于加快反應(yīng)速度，但超聲誘導(dǎo)降解主要是由于空化效應(yīng)而引起的反應(yīng)，溫度過高時，在聲波負(fù)壓半周期內(nèi)會使水沸騰而減小空化產(chǎn)生的高壓，同時空化泡會立即充滿水汽而降低空化產(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(shù)下降，因此，低溫(小于20℃)較為有利于超聲降解實驗,一般都在室溫下進行。多數(shù)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(yīng)存在一個最佳頻率；以熱解為主的降解反應(yīng)，當(dāng)超聲聲強大于空化閾值時，隨著頻率的增大，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)射端面積在單位時間內(nèi)輻射至反應(yīng)系統(tǒng)中的總聲能，一般以單位輻照面積上的功率來衡量。一般來說，超聲功率強度越大越有利于降解反應(yīng)，但過大時又會使空化氣泡產(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(jié)語
超聲處理是一個極其復(fù)雜的過程。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(yīng)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，針對實際多組分難降解物系在降解機理、物質(zhì)平衡、反應(yīng)動力學(xué)、反應(yīng)器設(shè)計放大等方面進行深入的研究，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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