超声波在污水处理中的应用

超声波在污水处理中的应用

超声波在污水处理中的应用

沈宇洲 05110214

（东南大学土木工程学院南京 211189）

摘要：介绍了超声波降解水体中污染物的降解原理。从超声的系统因素包括频率和声强；化学因素包括溶解气体、pH值、反应温度等的多个方面介绍了影响降解效率的因素，同时介绍了目前此领域超声波与其他相关技

术联合使用的最新科研成果。

摘要：超声波；污水处理；降解

Application of ultrasound in wastewater

treatment

Shen Yu Zhou

(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 211189)

Abstract: We introduced the principle of ultrasonic degradation of pollutants degradation in water.，then we introduced a number of factors that affect the degradation efficiency from the ultrasound system factors, including the frequency and sound intensity; chemical factors, including dissolved gases, pH, reaction temperature.We also introduced ultrasound using in combination with other latest technologies and scientific research in this area.

key words: Ultrasound; sewage treatment; degradation

超声波是一种高频机械波，具有波长

较短，能量集中，沿

直线传播的特点。而

超声波技术具有简

便、高效、无污染或

少污染的特点，是近

年来发展的一项新型

水处理技术。它集高

级氧化、热解、超临

界氧化等技术于一

体，且降解速度快、

能将水体中有害有机

物转变成CO2 、

H2O、无机离子或比

原有机物毒性小易降

解的有机物，因而在

处理难生物降解有机

污染物方面具有显著

的优越性。

课题：大学生物理论文. 作者简介：沈宇洲，1992年，男，江苏，本科生。

1 基本理论和机理

1.1功率超声机理

当一定强度的超声波在媒质中传播时，会产生力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应。这些效应可归纳为下列三种基本作用：

1.机械作用。超声波是机械能量的传播形式，与波动过程有关，会产生线性效变的振动作用。超声波液体中传播时，其同质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加速度却非常大。若20KHz、1W/平方厘米的超声波在水中传

播，则其产生的声压幅值为173Kpa，这意味着声压幅值每秒种内要在正负173Kpa之间变化2万次，最大质点的加速度达144万米每二次方秒，大约为重力加速度的1500倍，这样激烈而快速变化的机械运动就是功率超声的机械振动效应。

2.空化作用。超声波在液体媒质中传播时，当声强达到一定期强度，液体中声场作用区域形成局部的暂时负压，使液体中的微气泡生长、澎胀至突然破裂，导致气泡周围的液体中产生强烈的激波，形成局部点的高温高压，空化泡崩溃时，在空化泡周围极小空间内产生5000K 的瞬态高温和约50mpa的应。，在空化泡周围极小空间内产生5000K的瞬态高温和约50mpa的高压，且温度冷却率达10的9次方k/s，并伴有强烈冲击波和时速达400Km的射流，就是超声空化效应。

3.热作用。超声波在媒质中传播，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使自身温度升高。声能不间断的吸收可引起媒质中的整体加热，边界外的局部加热和空化形成激波时，波前处的局部边界外的局部加热和空化形成激波时，波前处的局部加热等，这就是功率超声的热作用。

1.2超声化学机理

1.超声催化。超声催化反应是一个新兴的研究领

域。目前，有关反应模型、机理的研究尚很模糊，但众多的科研成果确认了催化反应的显著效果。其主要作用：一是高温高压条件有利于反应物裂解成自由基和二阶炭，形成更为活泼的物种。二是冲击波和微射流对固体表面有吸解和清洗作用。三是冲击波可破坏反应物结构，分散反应物系。四是超声空化导致金属品格的变形和内部应变区的形成，从而提高金属化学反应活性。超声条件下的反应速率比没有超声时增加了100000倍，且反应时间大且反应时间大大缩短。

2.超声降解。超声处理可以降解大分子，尤其是处理高分子量聚合物的降解效果更显著。超声降解源于超声的机械效应、空化效应和热效应。2. 影响超声降解的主要因素

2影响超声降解的因素

影响超声降解的主要因素包括溶解气体、pH值、反应温度、超声功率强度和超声波频率等。

2.1超声波频率

研究表明，并非频率越高降解效果越好。超声频率与有机污染物的降解机理有关，以自由基为主的降解反应存在一个最佳频率；以热解为主的降解反应，当超声声强大于空化阈值时，随着频率的增大，声解效率增大。

2.2超声功率强度

超声功率强度是指单

位声发射端面积在单位时间内辐射至反应系统中的总声能，一般以单位辐照面积上的功率来衡量。一般来说，超声功率强度越大越有利于降解反应，但过大时又会使空化气泡产生屏蔽，可利用超声功率强度能量减少，降解速度下降。

2.3溶解气体

溶解气体的存在可提供空化核、稳定空化效果、降低空化阈，对超声降解速率和降解程度的影响主要有两个方面的原因：溶解气体对空化气泡的性质和空化强度有重要的影响；溶解气体如N2O2产生的自由基也参与降解反应过程，因此，影响反应机理和降解反应的热力学和动力学行为。

2.4pH值

对于有机酸碱性物质的超声降解，溶液pH值具有较大影响。当溶液pH值较小时，有机物质在水溶液中以分子形式存在为主，容易接近空化泡的气液界面，并可以蒸发进入空化泡内，在空化泡内直接热解；同时又可以在空化泡的气液界面上和本体溶液中同空化产生的自由基发生氧化反应，降解效率高。当溶液pH值较大时,有机物质发生电离以离子形式存在于溶液中，不能蒸发进入空化泡内，只能在空化泡的气液界面上和本体溶液中同自由基发生氧化反应，降解效率较低超声降解发生在空化核内