超声波高级氧化技术.doc

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1、高级氧化技术—超声波技术（声化学技术）介绍：超声波：频率高于20000赫兹的声波，是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。例如，B超（腹部超声成象所用的频率范围在2-5MHz之间，常用为3-3.5MHz）。在介质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与(可闻)声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与(可闻)声波比较，超声波具有许多奇异特性。运用的范围：目前超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域：（一）工

2、程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等。（二）生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等。（三）诊断学方面的应用：A型、B型、M型、D型、双功及彩超等。（四）治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。超声波化学反应：超声波应用于化学反应能提高化学反应速率、缩短反应时间、提高反应选择性，而且能激发在没有超声波存在时不能发生的化学反应。由于超声化学具有独特的反应特性，目前受到广泛关注，是合成化学等极为重要且十分活跃的研究领域之一。利用功率超声的空化现象加速和控制化学反应，提高反应率和引发新的化学反应的现象，称超声化学。超声化学目前已广泛应用于化

3、学中的每一个领域，如:有机合成化学、纳米材料制备、生物化学、分析化学、高分子化学、高分子材料、表面加工、生物技术及环境保护等方面。超声波的机理：1.空化理论2.自由基理论3.超临界理论4.热机制5.机械机制6.机械剪切作用7.絮凝作用1．空化理论：超声波在介质中的传播过程中存在着一个正负压强的交变周期。在正压相位时,超声波对介质分子挤压,增大了液体介质原来的密度;而在负压相位时,介质的密度则减小。当用足够大振幅的超声波作用于液体介质时,在负压区内介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离,液体介质就会发生断裂,形成微泡,微泡进一步长大成为空化气泡。在紧

4、接着的压缩过程中,这些空化气泡被压缩,其体积缩小,有的甚至完全消失。当脱出共振相位时,空化气泡就不再稳定了,这时空化气泡内的压强已不能支撑其自身的大小,即开始溃陷或消失,这一过程称为空化作用。空化效应可以听到小的炸裂声，于暗室外可以看到发光现象。在空化泡崩溃的极端时间内，会在其周围的极小空间范围内产生1900-5200K的高温和超过压力100MPs、急剧冷却速度达10,K/s,并伴有强烈的冲击波和时速高度400Km/h的射流。这些条件下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

5、下，会产生·OH，它可以有效地分解难降解有机污染物。Ø稳态空化当在比较小的声压激发下，产生低于一个大气压的声压，而这些声压通常产生的空化为稳态空化。对于稳态空化，气泡以其平衡半径剧烈的非线性振荡。对于稳态空化，其气泡一般不发生激烈地崩溃过程，当其非线性振荡较为强烈时，也会伴随而来一些效应，如在气泡界面上，由于高速度梯度引起的微射流，从而造成一定的粘滞应力来影响附近存在的细胞或大分子。Ø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，而且在随之而来的声波正压作用下则迅速收缩直至

6、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。2.自由基理论主要是在空化效应作用下，有机物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·OH自由基，另外溶解在溶液中的空气（N

7、2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:a．水离解：H2O→H·+HO·H·+H·→H2H·+O2→H02·HO2·+HO2·→H2O2+O2HO·+HO·→H2O2H·+HO·→H2OH·+H2O2→HO·+H2OH·+H2O2→H2+HO2·HO·+H2O2→HO2·+H2OHO·+H2→H2O+H·b．在N2存在下：N2→2N·N·+HO·→NO+H·NO+HO·→HNO2NO+HO·→NO2+H·2NO2+H2O→HNO2+HNO3N·+H·→NHNH+NH→N