超声波在水处理中的应用

环境工程

文章编号:1002-1124(2004)11-0027-03

超声波在水处理中的应用

彭亚男

(哈尔滨师范大学化学系,黑龙江哈尔滨150080)

摘　要:超声波技术作为一种新的污染治理技术正在日益受到人们的重视,它具有操作简单方便,降解速度快等优点,其在强化污水污泥及有毒有害和难降解有机废水处理等方面已显示出巨大潜力。本文对近年来的超声波技术在工业水处理中的应用作了综述。

关键词:超声波;废水处理;难降解废水;有机污染物;降解中图分类号:X 703 文献标识码:B

Application of ultrasonic in w astew ater treatment

PE NG Y a -nan

(Department of Chemistry ,Harbin N ormal University ,Harbin 150080,China ))

Abstract :Ultras onic technique as a new pollution treatment method is attracting people ’s attention increasingly.It

is chatacterized by its simplicity on operation and the speediness in the degradation of s ome pois onius.It hsa shown the great potential of the treatment of sewage sludge and tefractory wsatewater.A comprehensive review on the applications and tecent advances of ultras ouvd in wastewater treatment has been given in this paper.The principles 、characteristics 、in 2fluencing factors and the main achievements and conclusions available to date ass ociated with s onolysis of wastewater have been outlined.Further point out.

K ey w ords :ultras ound ;wastewater treatment ;refractory wastewater ;organic pollutant ;degradation

收稿日期:2004-08-15

作者简介:彭亚男(1954-),女,高级实验师。

近年来利用超声波强化有机废水的降解或直接

利用超声波降解有机废水的研究报道日益增多。研究内容涉及降解机理、降解动力学、中间体的检测、影响超声降解过程的因素和优化条件实验等。超声波技术作为一种新的废水处理技术,已有了大量的实验室基础研究成果,并有部分已进入了实际应用,被认为是一种有前途的废水处理技术。

1　基本原理

超声波是由一系列疏密相间的纵波构成,并通过液体介质向周围传播。超声波的频率范围一般为20～10MH z ,当一定强度的超声波施与某一液体系统时,将产生一系列的物理和化学效应,并明显改变液体中溶解态和颗粒态物质的特性,这些反应是由声场条件下大量空化气泡的产生和破灭引起的。当声能足够高时,在疏松的半周期内,液相分子间的吸

引力被打破,形成空化气泡,其寿命约为011

μs 。空化气泡破灭时将产生极短暂的强压力脉冲,并在气泡周围微小空间形成局部热点。声化学反应主要源

于声的空化效应以及由此引发的物理和化学反应。液体的声空化过程是集中声场能量并迅速释放的过程,超声波对有机物的降解不是直接的声波作用,因为超声在液体中波长为10～01015cm (相当于15kH z 至10MH z )远远大于分子的尺寸,而是和液体中产生的空化气泡的崩灭有密切关系,足够强度的超声波通过液体时,在声波负压半周期,存在于液体中的微小气泡(空化核)会迅速张大,在相继而来的声波正压相中,气泡又绝热压缩而崩灭,在空化泡崩溃的极短时间内,会在空化泡周围的极小空间中产生高温和高压,进入空气泡中的水蒸汽在高温和高压下发生分裂及链式反应氧自由基(・OH ),・OH 又可以结合生成过氧化氢(H 2O 2),同时并伴有强烈的冲击波和时速高达400K ・h -1的射流,这就为在一般条件下难以实现的化学反应提供了一种非常特殊的物理环境,打开了化学反应的通道。这种反应是由于产生高活性的自由基和热解引起的。这种空化气泡充满蒸汽并被疏水性的液体边界包围,因此,挥发性和疏水性物质优先积累于气泡中,发生热解和自由基反应。最近研究表明,这种声化学反应主要发生在100～1000kH z 的中等频率范围内[1]。

Sum 110N o 111 化学工程师

Chemical Engineer

2004年11月

2　超声降解反应的类型

在空化效应作用下,有机物的降解过程可以通过高温分解或自由基反应两种历程进行。

在超声空化产生的局部高温、高压环境下,水被分解产生・H和・OH自由基(・OH的氧化能力仅次于元素F),另外溶解在溶液中的空气(N2和O2)也可以发生自由基裂解反应,产生・N和・O自由基。这些自由基会进一步引发有机分子的断链。自由基的转移和氧化还原反应,可见超声降解本质上完全同光催化一样,也属于自由基氧化机理。实验发现,在超声降解过程中,会产生一系列复杂的中间化合物,这与溶液中存在着众多的自由基种类有关。因此,超声波有可能成为一种新颖的、无污染的污水处理方法[2]。

3　超声降解的影响因素

311　超声功率强度

超声降解反应的速率一般总是随功率强度的增大而增加[3]。但功率强度过高会适得其反。超声功率强度一般以单位辐照面积上的功率来衡量,有时也采用单位体积液体消耗的功率来表示。

312　超声波频率

最近的研究表明,高频超声波有助于提高超声降解速度[4],这是由于・OH自由基的产率随声源频率的增加而增加[5,6]。事实上,在超声降解过程中,超声强度在频率之间可能有一个最佳匹配问题,而且频率的选择与被降解有机物的结构、性质以及降解历程有关,并不是在所有情况下高频超声波都是有利于降解的。因此,工业上应用的功率超声的频率一般均低于60kH z。

313　超声波反应器的结构

反应器设计的目的就是在恒定输出功率条件下尽可能提高混响场强度,增强空化效果。反应器可以是间歇的或连续的工作方式,超声波发生元件可以置于反应器的内部或外部,可以是相同频率的或不同频率的组合。

314　溶解气体的影响

溶解气体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:(1)溶解气体对空化气泡的性质和空化强度有重要的影响;(2)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。超声空化产生的最高温度和压力总是随绝热指数r的增高而升高。对单原子气体r=11666,而多原子气体(如泡腔内的空气,水蒸汽或有机物蒸汽)的绝热指数总是小于原子气体。

315　液体的性质

液体的性质如溶液粘度,表面张力,pH值以及盐效应都会影响溶液的超声空化效果。溶液粘性对空化效应的影响主要表现在两个方面:(1)影响空化阈值;(2)它能吸收声能。当溶液粘度增加时,声能在溶液中的粘滞消耗和声能衰减加剧,辐射入溶液中的有效声能减小,致使空化阈值显著提高,溶液发生空化现象变的困难,空化强度减弱。因此,粘度太高不利于超声降解。随着表面张力的增加,空化核生成困难,但它爆炸时产生的极限温度和压力升高,有利于超声降解。当溶液中有少量的表面活性剂存在时,溶液的表面张力迅速下降。在超声波作用下有大量泡沫产生,但气泡爆破时产生的威力很小。因此,不利于超声降解。

对于有机酸碱性物质的超声降解,溶液pH值具有较大影响。超声降解发生在空化核内或空化气泡的气-液界面处。因此,溶液的pH值调节应尽量有利于有机物以中性分子的形态存在并易于挥发进入气泡核内部。

在溶液中加入盐,能改变有机物的活度性质,因此,改变有机物在气-液界面相与本体液相之间的浓度的分配,从而影响超声降解速率。

316　温度

温度对超声空化的强度和动力学过程具有非常重要的影响,从而造成超声降解的速率和程度的变化。温度升高会导致气体溶解度减小,表面张力降低和饱和蒸汽压增大,这些变化对超声空化是不利的。一般声化学效率随温度的升高呈指数下降,因此,声化学过程在低温下(小于20℃)进行较为有利于超声降解实验,一般都在室温下进行。

317　协同效应

用超声波降解水中的污染物作为一个新兴的研究领域,目前尚处于探索阶段。该技术要实现工业化,需要提高声能的利用率和降解速度,超声空化产生机械效应可以极大地改善非均相界面间的传质和传热效果。如何有效的利用超声空化是声化学的主要研究方向,将有机物水溶液的超声降解与其他降解方法相结合,有可能在充分发挥超声波的化学效应的同时,也使其机构效应通过对其他过程的强化效应得到发挥,从而产生协同效应,提高有机物的降

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