超聲波在水處理中的應(yīng)用

超聲波在水處理中的應(yīng)用摘要：介紹了超聲波降解水體中污染物的降解原理。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，同時介紹了超聲波在水處理中的應(yīng)用及與其他相關(guān)技術(shù)聯(lián)合使用的最新科研成果。關(guān)鍵詞：超聲波；空化作用；水處理1927年，美國學(xué)者Richards發(fā)現(xiàn)超聲波有加速二甲基硫酸醋的水解和亞硫酸還原碘化鉀反應(yīng)的作用，這是超聲輻照化學(xué)效應(yīng)首次為人發(fā)現(xiàn)。直至80年代，聲化學(xué)作為一門利用超聲加速化學(xué)反應(yīng)，提高化學(xué)反應(yīng)速率的邊緣學(xué)科興起。九十年代初，國外才有報道用超聲空化降解水體中有毒有機物的研究工作。近年來，在美國、日本、法國、加拿大和德國等大學(xué)實驗室和研究所紛紛致力于超聲空化降解有機污染物的研究。超聲波是一種高頻機械波，具有波長較短，能量集中，沿直線傳播的特點。而超聲波技術(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.超聲機理超聲波指頻率在15kHz以上的聲波，在溶液中以一種球面波的形式傳遞，一般公認為頻率范圍在15kHz到1MHz的超聲輻照溶液會引起許多化學(xué)變化。當(dāng)一定強度的超聲波在媒質(zhì)中傳播時，會產(chǎn)生力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等一系列效應(yīng)。這些效應(yīng)可歸納為下列三種基本作用：=1\*GB3①.機械作用。超聲波是機械能量的傳播形式，與波動過程有關(guān)，會產(chǎn)生線性效變的振動作用。超聲波液體中傳播時，其同質(zhì)點位移振幅雖然很小，但超聲引起的質(zhì)點加質(zhì)點位移振幅雖然很小，但超聲引起的質(zhì)點加速度卻非常大。若20KHz、1W/平方厘米的超聲波在水中傳播，則其產(chǎn)生的聲壓幅值為173Kpa，這意味著聲壓幅值每秒種內(nèi)要在正負173Kpa之間變化2萬次，最大質(zhì)點的加速度達144萬米每二次方秒，大約為重力加速度的1500倍，這樣激烈而快速變化的機械運動就是功率超聲的機械振動效應(yīng)。=2\*GB3②.空化作用。超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時，當(dāng)聲強達到一定期強度，液體中聲場作用區(qū)域形成局部的暫時負壓，使液體中的微氣泡生長、澎脹至突然破裂，導(dǎo)致氣泡周圍的液體中產(chǎn)生強烈的激波，形成局部點的高溫高壓，空化泡崩潰時，在空化泡周圍極小空間內(nèi)產(chǎn)生5000K的瞬態(tài)高溫和約50mpa的應(yīng)。，在空化泡周圍極小空間內(nèi)產(chǎn)生5000K的瞬態(tài)高溫和約50mpa的高壓，且溫度冷卻率達10的9次方k/s，并伴有強烈沖擊波和時速達400Km的射流，就是超聲空化效應(yīng)。=3\*GB3③.熱作用。超聲波在媒質(zhì)中傳播，其振動能量不斷被媒質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏棺陨頊囟壬?。聲能不間斷的吸收可引起媒質(zhì)中的整體加熱，邊界外的局部加熱和空化形成激波時，波前處的局部邊界外的局部加熱和空化形成激波時，波前處的局部加熱等，這就是功率超聲的熱作用。超聲化學(xué)機理=1\*GB3①.超聲催化。超聲催化反應(yīng)是一個新興的研究領(lǐng)域。目前，有關(guān)反應(yīng)模型、機理的研究尚很模糊，但眾多的科研成果確認了催化反應(yīng)的顯著效果。其主要作用：一是高溫高壓條件有利于反應(yīng)物裂解成自由基和二階炭，形成更為活潑的物種。二是沖擊波和微射流對固體表面有吸解和清洗作用。三是沖擊波可破壞反應(yīng)物結(jié)構(gòu)，分散反應(yīng)物系。四是超聲空化導(dǎo)致金屬品格的變形和內(nèi)部應(yīng)變區(qū)的形成，從而提高金屬化學(xué)反應(yīng)活性。超聲條件下的反應(yīng)速率比沒有超聲時增加了100000倍，且反應(yīng)時間大且反應(yīng)時間大大縮短。=2\*GB3②.超聲降解。超聲處理可以降解大分子，尤其是處理高分子量聚合物的降解效果更顯著。超聲降解源于超聲的機械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)。影響超聲降解的主要因素=1\*GB3①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\*GB3②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\*GB3③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：溶解氣體對空化氣泡的性質(zhì)和空化強度有重要的影響；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。=4\*GB3④pH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。=5\*GB3⑤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，從而造成超聲降過程中,采用超聲波的分散效應(yīng),使TiO2均勻分散,提高其催化活性。=4\*GB3④超聲/脫附聯(lián)用技術(shù)吸附法是常見的水處理技術(shù),但吸附劑的再生一直未得到很好的解決。1998年,S.R.Rege研究了在超聲作用下再生飽和酚的活性炭和高分子樹脂,并取得良好的效果。認為超聲加速脫附的原因是聲空化引起的微射流強化了酚的孔擴散速度。2002年,李祥斌等實驗發(fā)現(xiàn),施加超聲波不僅可以改變在常規(guī)下已達平衡的NKAⅡ樹脂苯酚水體系的相平衡狀態(tài),使體系新的平衡狀態(tài)向吸附量減少的方向移動,而且通過超聲空化作用強化了相間質(zhì)量的傳遞過程,在超聲條件下的擴散系數(shù)比常規(guī)條件下的擴散系數(shù)約大一個數(shù)量級,隨著超聲場聲強的增加,擴散系數(shù)也增大。6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。目前有關(guān)超聲空化技術(shù)的研究主方向是，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)。參考文獻方婷,李滬萍,羅康碧,等.聲化學(xué)技術(shù)處理有機廢水的研究進展[J].化工科技，2006，14(5)：40-45．馬軍,趙雷.超聲波降解水中有機物的影響因素[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,2005，22(2)：141-150．[3]華彬,陸永生,唐春燕,等.含氯苯廢水的超聲降解研究[J].環(huán)境污染與防治，2001，23(3)：45-47．[4]陳偉、范瑾初，超聲降解水體中有機污染物技術(shù)綜述[J]，水污染防治，1999，18(10):475-460[5]朱昌平、何世傳、單鳴雷