超聲波處理高濃度有機(jī)廢水
高濃度有機(jī)廢水主要分布在化工、冶金、煉焦、輕工、食品等行業(yè)，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。按其性質(zhì)和來源大體可分為三大類：(1)易于生物降解的高濃度有機(jī)廢水，一般來自以農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)品為原料的工業(yè)廢水，如食品工業(yè)廢水;(2)高濃度有機(jī)廢水中的有機(jī)物是可以生物降解的，但廢水中含有其他有害物質(zhì)，廢水主要來自制藥工業(yè)和部分化工行業(yè);(3)難于生物降解和含有有害物質(zhì)的高濃度有機(jī)廢水，主要來自合成化學(xué)行業(yè)，如染料工業(yè)、農(nóng)藥工業(yè)等。對于后兩類廢水生物方法通常無法達(dá)到處理要求，而采用物理化學(xué)方法處理高濃度有機(jī)廢水，成本很高，每噸水處理費(fèi)用達(dá)到數(shù)十元，高昂的處理費(fèi)用使得大量高濃度難降解有機(jī)廢水得不到有效處理而排放，所以研究高濃度有機(jī)廢水的治理，完善其治理技術(shù)，是十分迫切的任務(wù)。
很多研究表明，生物降解過程中存在真一些具有共同特性的關(guān)鍵步驟，一般是跨越膜的傳質(zhì)過程和圍繞關(guān)鍵酶的反應(yīng)過程，因此生物降解活性可能是其親脂性與電子效應(yīng)的加和，以及其他次要因素(如立體效應(yīng)等)的綜合反應(yīng)。難以降解物質(zhì)之所以在生化過程中分解速率緩慢，是因為某些功能團(tuán)難以為微生物打開，從而成為生化反應(yīng)的限制步驟。如果能在預(yù)處理中破壞這些功能團(tuán)，打開其化合鍵，或者在芳香環(huán)中引入羥基而改變其結(jié)構(gòu)，就可以打破這些官能團(tuán)對生物降解的限制作用，極大地提高生化反應(yīng)的速率，超聲波處理可以快速有效地做到這一點(diǎn)。
利用超聲波降解水中的化學(xué)污染物，尤其是難降解的有機(jī)污染物，是近年來發(fā)展的一項新型水處理技術(shù)。它集高級氧化技術(shù)、焚燒、超臨界水氧化等多種水處理技術(shù)的特點(diǎn)與一身，具有反應(yīng)條件溫和、速度快、適用范圍廣等特點(diǎn)，可以單獨(dú)使用或與其他技術(shù)聯(lián)合使用，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α３暡茉谒幸鹂栈?yīng)，產(chǎn)生約4000K和100Mpa的瞬間局部高溫高壓環(huán)境(熱點(diǎn))，同時以約110m/s的速度產(chǎn)生具有強(qiáng)烈沖擊力的微射流的沖擊波。水分子在熱點(diǎn)達(dá)到超臨界狀態(tài)，并分解成羥基自由基、超氧基等，其中，羥基自由基是目前所發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的氧化劑。有機(jī)物在熱點(diǎn)發(fā)生化學(xué)鍵斷裂、水相燃燒、高溫分解、超臨界水氧化、自由基氧化等反應(yīng)，這些效應(yīng)加上聲場中的質(zhì)點(diǎn)振動、次級衍生波等為有機(jī)物降解提供了其他方法難以達(dá)到的多種途徑。
1 超聲降解有機(jī)物的動力學(xué)研究
有機(jī)物的超聲降解過程遵循表現(xiàn)一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律。瞬間空化泡崩潰時釋放出的巨大能量是引起聲化學(xué)反應(yīng)的主動力，伴隨空化泡崩潰所產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)與化學(xué)效應(yīng)反應(yīng)在三個不同的空間內(nèi)，即空化泡內(nèi)部，此時空化泡本身猶如一個高溫高壓反應(yīng)器;緊靠空化泡壁的氣(汽)液交界面;離交界面更遠(yuǎn)一些的區(qū)域及主體溶液相，有機(jī)物將受到?jīng)_擊波及隨沖擊波擴(kuò)散而來的活性自由基作用。
2 超聲降解高濃度有機(jī)廢水的影響因素
(1)超聲波功率
在超聲波作用下，有機(jī)物的降解通常遵守一級動力學(xué)反應(yīng)。超聲降解反應(yīng)速率一般隨聲強(qiáng)的增大而增加，但強(qiáng)度過高會適得其反。因為聲能太大，空化泡會在聲波的負(fù)壓相長得很大而形成屏障，使系統(tǒng)可利用的聲能反而降低，降解速率因此下降。
(2)超聲波頻率
研究表明，高頻超聲波有助于提高超聲降解速率，這是由于羥基自由基的產(chǎn)率隨著聲頻率的增加而增加。事實(shí)上，在超聲降解過程中，超聲強(qiáng)度和頻率之間有一個最佳匹配，而且頻率的選擇與被降解有機(jī)物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及降解歷程有關(guān)，并不是所有情況下高頻超聲波有利于降解。
(3)廢水中的溶解氣體
溶解氣體對超聲降解速率和降解程度的影響主要有兩方面的原因：一是溶解氣體對空化泡的性質(zhì)和空化強(qiáng)度有重要的影響;另外溶解氣體如N2、O2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(jī)理和降解反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)行為。超聲空化產(chǎn)生的最高溫度和壓力總是隨著絕熱指數(shù)r增大而升高。對單原子氣體，r=1、666，而多原子氣體(如泡腔內(nèi)的空氣、水蒸氣或有機(jī)物蒸氣)的絕熱指數(shù)總是小于單原子氣體，例如，從飽和的水溶液r=1、33。可見，在超聲降解過程中，使用單原子稀有氣體總能提高降解的速率和程度。
(4)廢水的性質(zhì)
液體的性質(zhì)如溶液黏度、表面張力、PH以及鹽效應(yīng)都會影響溶液的超聲空化效果。溶液黏性對空化效應(yīng)的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面它能影響空化閥值，另一方面它能吸收聲能。當(dāng)然溶液黏度增加時，聲能在溶液中的黏滯損耗和聲能衰減加劇，輻射溶液中的有效聲能減少，致使空化閥值顯著提高，溶液發(fā)生空化現(xiàn)象變得困難，空化強(qiáng)度減弱，因此，黏度不太高有利于超聲降解。隨著表面張力的增加，空化核生成困難，但是空化氣泡崩潰時產(chǎn)生的極限溫度和壓力升高，有利于超聲降解。當(dāng)溶液中有少量的表面活性劑時，溶液的表面張力迅速下降，在超聲波作用下有大量泡沫產(chǎn)生，但空化泡崩潰時產(chǎn)生的威力很小，因此不利于超聲降解。
(5)反應(yīng)溫度
溫度對超聲空化的強(qiáng)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過程的變化。溫度升高會導(dǎo)致氣體溶解度減小，表面張力降低，飽和蒸氣壓增大，這些變化對超聲空化是不利的。一般生化學(xué)效率隨溫度的升高呈指數(shù)下降，因此，聲化學(xué)過程在低溫(20℃)進(jìn)行較為有利，超聲降解一般都在室溫下進(jìn)行。
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