超聲波在有機廢水處理中的應用研究
關鍵詞：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；化學因素包括溶解氣體、pH值、反應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90年代初，國外等一些學者開始研究超聲降解水中有機污染物。超聲波技術具有簡便、高效、無污染或少污染的特點，是近年來發展的一項新型水處理技術。它集高級氧化、熱解、超臨界氧化等技術于一體，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，有機物的降解過程可以通過高溫分解或自由基反應兩種歷程進行。
1.1 空化理論
超聲波在介質中的傳播過程中存在著一個正負壓強的交變周期。在正壓相位時,超聲波對介質分子擠壓，增大了液體介質原來的密度；而在負壓相位時，介質的密度則減小。當用足夠大振幅的超聲波作用于液體介質時，在負壓區內介質分子間的平均距離會超過使液體介質保持不變的臨界分子距離,液體介質就會發生斷裂，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。當脫出共振相位時，空化氣泡就不再穩定了，這時空化氣泡內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條件的變化，導致了化學反應的熱力學變化，使化學反應的速度和產率得以提高。
1.2 自由基理論
在超聲空化產生的局部高溫、高壓環境下，水被分解產生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)也可以發生自由基裂解反應產生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方面的原因：(1)溶解氣體對空化氣泡的性質和空化強度有重要的影響；(2) 溶解氣體如N2O2產生的自由基也參與降解反應過程，因此，影響反應機理和降解反應的熱力學和動力學行為。
2.2 pH值
對于有機酸堿性物質的超聲降解，溶液pH值具有較大影響。當溶液pH值較小時，有機物質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，并可以蒸發進入空化泡內，在空化泡內直接熱解；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生的自由基發生氧化反應，降解效率高。當溶液pH值較大時,有機物質發生電離以離子形式存在于溶液中，不能蒸發進入空化泡內，只能在空化泡的氣液界面上和本體溶液中同自由基發生氧化反應，降解效率較低超聲降解發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存在并易于揮發進入氣泡核內部。
2.3 溫度
溫度對超聲空化的強度和動力學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，溫度過高時，在聲波負壓半周期內會使水沸騰而減小空化產生的高壓，同時空化泡會立即充滿水汽而降低空化產生的高溫，因而降低降解效率。一般聲化學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驗,一般都在室溫下進行。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，以自由基為主的降解反應存在一個最佳頻率；以熱解為主的降解反應，當超聲聲強大于空化閾值時，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射端面積在單位時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衡量。一般來說，超聲功率強度越大越有利于降解反應，但過大時又會使空化氣泡產生屏蔽，可利用超聲功率強度能量減少，降解速度下降。
3. 結語
超聲處理是一個極其復雜的過程。不同物化性質的有機污染物，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，只有針對具體的有機污染物，優化反應操作條件才能獲得最佳的超聲降解效果。今后有關超聲空化技術的研究方向是，針對實際多組分難降解物系在降解機理、物質平衡、反應動力學、反應器設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。
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