7.超声氧化技术

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1、第7章超声氧化技术7.1超声与空化作用利用超声波降解水中难降解的有机污染物，是近年来发展起来的一项新型环境治理技术。该技术操作条件温和、降解速度快、适用范围广、可以单独或与其它水处理技术联合使用，是一种很有发展潜力和应用前景的技术。超声波通常是指频率为2×104Hz—2×105Hz的声波。人类耳朵能听到的声波频率为16～2×104Hz当其声强增大到一定数量时，会对其传播中的媒质产生影响，使媒质的状态、组分、功能和结构等发生变化，统称为超声效应。从此点意义讲，声化学亦可理解为超声的化学效应。n1894年：第一个空化报告n1927年：第一

2、篇论文n冷寂了近60年n1986年：“首届国际声化学学术会议”，标志声化学的形成。超声与媒质作用的机制可分为热机制、机械机制和空化机制。u热机制：超声波在媒质中传播时，其振动能量不断地为媒质吸收转变为热能而使其自身温度升高。u机械机制：是指超声波既然是机械能量的传播形式，那么与波动过程有关的力学量，如质点位移、振动速度、加速度及声压均可能与超声效应有关。u超声空化：是指液体中的微小气核在超声波的作用下被激活，它表现在泡核的振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。附着在固体杂质、微尘或容器表面上及细缝中的微气泡或蒸汽泡以及因结构不均匀

3、造成液体内抗张强度减弱的微小区域中析出的溶解气体等都可以构成这种微小气核。超声波作为一种机械波进入液体媒质中，在媒质中传播时引起媒质分子在其平衡位置为中心的振动，这种周期性的波动对液体介质形成压缩稀疏作用，从而在液体内部形成过压位相和负压位相，达到一定程度时会使液体形态破坏。在声波压缩相时间内，分子间平均距离减小；而在稀疏相内，分子间距离增大。也就是说，在声场作用下液体内部除静压（Ph）外还附加产生了一个声压(Pa)，其中Pa=PAsinωt式中：PA为声压振幅，ω为声波角频率。声压大于静压时液体内部产生负压（Pc=Pa-Ph）。当负

4、压足够大时，即当声波的能量大到足使分子间距超过分子保持液态所必须的临界距离时，液体结构的完整性遭到破坏，导致在液体介质内部出现空腔或空穴，空穴一旦形成，它将一直增长至负声压达到极大值，在相继而来的声波正压相内，这些空穴又将被压缩，结果是一些空化泡将进入持续振荡，而另外一些空化泡将完全崩溃。空穴效应可以听到小的炸裂声，于暗室外可以看到发光现象。在空化泡崩溃的极短时间内，会在其周围的极小空间范围内产生出1900-5200K的高温和超过500atm的高压，温度变化率高达109K/s，并伴有强烈的冲击波和时速高达400km/h的射流。这些条件

5、足以打开结合力强的化学键，并促进水相燃烧、高温分解或自由基反应。例如，水分子中O-H键的键能为119.5kcal/mol，在超声波作用下，会产生·OH，它可以有效地分解难降解有机污染物。空化有两种类型：稳态空化和瞬态空化。l稳态空化：主要是指那些内含气体与蒸汽的空化泡的动力学行为。这种空化过程可在较低声强下发生。在声波作用下稳态空化常常表现为非线性振荡，而且振荡可以延续许多个周期，稳态空化泡存在时间较长，因此可通过气泡与液体的界面除有液体蒸发及蒸汽凝聚之外，还可以发生气体质量扩散。此外，由于声波膨胀相内气泡在振荡过程中增大，这种现象称

6、为定向扩散。定向扩散伴随气泡表面张力减小，则有可能使气泡转为瞬态空化过程，继而发生崩溃。但是于泡内气体的缓冲作用，其崩溃的剧烈程度要比纯蒸汽空化泡的崩溃缓和。当然在声波连续作用下，气泡也可能继续增长，直到浮上液面而逸出。就稳态空化泡而言，只有当空化泡的共振频率与声波频率相等时，才发生最大的能量耦合，产生明显的空化效应。如果前者大于后者，气泡将作复杂的连续振荡；反之，即可能发生崩溃。l瞬态空化：只能在较大声强作用下才可发生，而且它只能存在一个或至多几个周期时间。在声波负压作用下空化泡迅速增大，一般可增大到原来半径的二倍以上，而且在随之而

7、来的声波正压作用下则迅速收缩直至崩溃。崩溃时伴随形成许多微空泡，构成新的空化核。有的微泡则会因其半径过小而使表面张力过大，而溶进液体中。一般认为在瞬态空泡存在的时间内，不发生气体通过空泡壁的质量转移，但在泡壁界面上液体的蒸发与蒸汽的凝聚却自由地进行。瞬态空化发生时伴随的高温，为解释声致自由基及声致发光的机理提供了理论基础；而高压释放，即冲击波的形成，则可被看成是超声增强化学反应活性（通过增强分子碰撞）和超声降解有机分子的直接原因。7.2超声法去除水中有机物机理早在1950年Weissler等就已发现超声辐射可引起水中四氯化碳分解。基于

8、此，近年来研究超声降解水中污染物时，首选的物系是易挥发的链状有机物。研究表明，这些非极性、易挥发有机物降解明显、速度快。其原因为这些有机物可直接在空化气泡内燃烧或热分解。在此基础上一些学者开展了对水中极性、难挥发有机物超