超声波降解技术.doc

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1、超声波降解技术超声波(US)是指一种频率在20kHz以上的机械波，它具有波长短、能量集中的特点。过去，超声波技术主耍应用于医疗诊断、清洗、探伤、加工、无损检测等领域。自20世纪90年代初Mason⑴开展了超声波降解水中有机物的研究Z后，超声波技术在该研究领域的应用不断扩大。各国大学、实验室和研究所纷纷致力丁•将超声波化学应用于水污染控制，尤其对在废水中难降解有毒有机污染物治理方面的研究，已取得了一定的进展。超声波技术具有简便、高效、无二次污染等特点，能将水体中有害有机物转变为CO2、H2O>无机离子或转变为比原有机物毒性小的物质。因而

2、，在处理难降解的有机物方面具有显著的优越性，己受到国内外学者的关注。在国外，超声波技术作为一种新的水处理技术已有大量实验室的研究成果，并有部分进入实际应用。而国内，这方面开展的工作还非常有限，只有少数研究所和实验室在做这方面的试验和研究。1超声波的降解机理及其作用1.1超声波空化机理⑵早在1984年，Reynolds在研究通过局部细窄管道中的水流时，就观察到空化现象。儿乎与此同时英国海军也发现，螺旋桨推进器在水中会引起剧烈的震动现象。Thornycroft与Barnaby,认为这种震动是由丁•螺旋桨的旋转产生了大气泡(空穴)，而这些大

3、气泡乂在水的压力下随即发生爆炸产生的。这是第一次对空化现象物理本质的解释。当一定频率和声强的超声波辐照溶液时，液体中微小泡核在超声波作用下被激化，表现为气泡核的振荡、生长、收缩、崩溃；在液体中产生高温、高压、发光、放电、冲击波及射流等一系列极端物理过程，在声波负压相作用下产生空化气泡(cavitationsbubbles),随后在声波止压相作用下迅速崩溃，空化泡瞬间崩溃时就会在其周围极小空间范围内产生局部高温高压区，温度变化率高达109K/s,泡内温度为4700-5700°C,泡壁温度约为1900K,泡内压力为50MPa以上即形成所谓

4、“热点”(hotspots)[3]o进入空化泡中的水蒸气在高温和高压下发生下列反应：H20->-OH+H(1)•OH+OH->H2O2(2)2H->H2(3)H+O2・tHO2・(4)2HO2TH2O2+O2(5)空化泡崩溃时产生的冲击波和射流，使这些具有氧化性的自由基和H2O2进入整个水溶液中。1.2超声波的作用⑷在水溶液中，发生空化时产生的主耍影响有：1）热分解反应（高温解热效应）利用气体绝热方程，可以导出气泡闭合到最小半径时，气体的温度为：式屮：To为气泡初始（即最大半径）时的温度，P为气泡外部气压，Q为气泡内部气压,Y为气体的

5、摩尔热容比。设To=3OOK,Q=1.013kPa,P=101.325kPa,则可以算出气泡闭合到最小半径时，气体的温度为TVOOOOK.对于疏水性、易挥发的有机物，可进入空化泡内进行类似燃烧化学反应的热解反应。2）超声机械搅拌作用声波在媒质中传播时引起的媒质质元的振动，使位移速度加快，分子碰撞速度加快，同时对质点施加较大的冲击力，会导致分子链断裂。此效应对大分子有机物的降解效果较好。3）自由基氧化反应⑸对于亲水性、不易或难挥发的有机物，在空化泡气液界面上或进入本体溶液中，主要参与这类反应。由丁•空化作用产生的・OH和・H都是容易和其

6、它物质反应的口由基，它们和水中其它分子或口由基相互反应，引发一连串的链锁反应。1.3超声降解反应区声空化引起有机废水降解主要发生在3个区域6儿1）空化气泡气相区由空化气体、水蒸气及易挥发有机溶质蒸汽的混合物组成，大部分自由基反应在此相进行。2）气液过渡区是閑绕气相的一层很薄的超热液相层，含有挥发性有机废水，处于空化时的屮间条件，存在高浓度OHH由基，且呈超临界状态，极易发生非常规反应。3）本体液相区此区基本处于环境条件，在前两个区域未被消耗的自由基，可继续在该条件下反应。如果在超声处理时加入无害环境的强氧化剂（如H2O2和03等），本

7、体液相中会有较多的口由基或单电子氧化剂，使有机废物继续在此相中降解。有人将有机废水降解归结丁空化气泡崩灭促使传芦媒质质点产生较大的瞬时速度和加速度，从而引起剧烈振动，这种剧烈振动在宏观上表现出强大的液体剪切力，可使大分子主链上的碳键产生断裂，起到降解有机高分子的作用。2超声降解有机污染物的研究⑻超声波对水屮酚类、卤代坯类、有机酸、农药类及染料等的超声降解作用己有一些文献报道，大多数学者认为超声降解的反应为动力学一级反应。现在的研究还处丁•试验室范臥对氯苯、氯酚、多氯联苯等进行的研究结果表明：利用超声空化可进行有机卤代物的脱卤，超声空化

8、的反应遵循一级反应动力学机理。对有机酸如丙酸、丁酸、戊酸进行的超声降解效杲较显著。超声降解有机污染物是一个很复杂的过程，相同的条件下，由丁•有机污染物性质的不同，对超声波的响应程度是不同的，对不同的水体处理必须耍根据相应