超聲波在污水處理中應(yīng)用的理論基礎(chǔ) 

 

       目前，對超聲波降解水中污染物原理的認(rèn)識(shí)主要是空化理論和自由基氧化原理。由于超聲波空化作用所引起的反應(yīng)條件的變化，導(dǎo)致了化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)變化，使化學(xué)反應(yīng)的速度和產(chǎn)率得以提高。另外在超聲波空化產(chǎn)生的局部高溫、高壓環(huán)境下，水被分解產(chǎn)生H和OH自由基，另外溶解在溶液中的空氣(N2和O2)也可以發(fā)生自由基裂解反應(yīng)產(chǎn)生N和O自由基。

 

影響污水處理中超聲波降解的主要因素

　　 

        影響污水處理中超聲波降解的主要因素包括溶解氣體、pH值、反應(yīng)溫度、超聲波功率強(qiáng)度和超聲波頻率： 　 

        1、溶解氣體的存在可提供空化核、穩(wěn)定空化效果、降低空化閾，對超聲波降解速率和降解的影響主要有兩方面的原因：

        A、溶解氣體對空化氣泡的性質(zhì)和空化強(qiáng)度有重要的影響；B、溶解氣體如N2O2產(chǎn)生的自由基也參與降解反應(yīng)過程，因此，影響反應(yīng)原理和降解反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為。 　 

        2、對于有機(jī)酸堿性物質(zhì)的超聲波降解，溶液的pH值具有較大影響。當(dāng)溶液pH值較小時(shí)，有機(jī)物質(zhì)可以蒸發(fā)進(jìn)入空化泡內(nèi)，在空化泡內(nèi)直接熱解；同時(shí)又可以在空化泡的氣液界面上和污水中空化產(chǎn)生的自由基發(fā)生氧化反應(yīng)，降解效率高。當(dāng)溶液pH值較大時(shí)，有機(jī)物質(zhì)不能蒸發(fā)進(jìn)入空化泡內(nèi)，只能在空化泡的氣液界面上同自由基發(fā)生氧化反應(yīng)，降解效率比較低。因此，溶液的pH值調(diào)節(jié)應(yīng)盡量有利于有機(jī)物以中性分子的形態(tài)存在并易于揮發(fā)進(jìn)入氣泡核內(nèi)部。 　　 

        3、溫度對超聲波空化的強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)過程具有非常重要的影響，從而造成超聲降解的速率和程度的變化。溫度提高有利于加快反應(yīng)速度，但超聲波誘導(dǎo)降解主要是由于空化效應(yīng)而引起的反應(yīng)，溫度過高時(shí)，在聲波負(fù)壓半周期內(nèi)會(huì)使水沸騰而減小空化產(chǎn)生的高壓，同時(shí)空化泡會(huì)立即充滿水汽而降低空化產(chǎn)生的高溫，因而降低降解效率。一般聲化學(xué)效率隨溫度的升高呈指數(shù)下降。因此，低溫(小于20℃)較為有利于超聲波降解實(shí)驗(yàn),一般都在室溫下進(jìn)行。 　 

        4、研究表明，并非頻率越高降解效果越好。超聲波頻率與有機(jī)污染物的降解原理有關(guān)，以自由基為主的降解反應(yīng)存在一個(gè)最佳頻率；以熱解為主的降解反應(yīng)，當(dāng)超聲聲強(qiáng)大于空化閾值時(shí)，隨著頻率的增大，聲解效率增大。

        5、超聲波功率強(qiáng)度是指單位超聲發(fā)射端面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射至反應(yīng)系統(tǒng)中的總聲能，一般以單位輻照面積上的功率來衡量。一般來說，超聲波功率強(qiáng)度越大越有利于降解反應(yīng)，但過大時(shí)又會(huì)使空化氣泡產(chǎn)生屏蔽，可利用超聲波功率強(qiáng)度能量減少，降解速度下降。 　

　 

現(xiàn)階段超聲波在污水處理中的一般應(yīng)用

 

        超聲波降解污水中有機(jī)污染物技術(shù)既可單獨(dú)使用，也可利用超聲波空化效應(yīng)，將超聲波降解技術(shù)同其他處理技術(shù)聯(lián)用進(jìn)行有機(jī)污染物的降解去除。聯(lián)用技術(shù)有如下類型：

        1、超聲波與臭氧聯(lián)用進(jìn)行污水處理，以超聲降解、殺菌與臭氧消毒共同作用于污水。

        2、超聲波與過氧化氫聯(lián)用進(jìn)行污水處理，以達(dá)成對污染水體降解、殺菌、消毒之目的。

        3、超聲波與紫外線聯(lián)用進(jìn)行污水處理，組成光聲化學(xué)技術(shù)利用超聲波技術(shù)和紫外光技術(shù)各自降解能力疊加協(xié)同和互補(bǔ)作用，對污水中常見的有機(jī)污染物苯酚、四氫化碳、三氫甲烷和三氯乙酸進(jìn)行降解，使四種物質(zhì)的降解產(chǎn)物為水、二氧化碳、C1-或易于生物降解的短鏈脂肪酸。

       4、超聲波與磁化處理技術(shù)聯(lián)用進(jìn)行污水處理，磁化對污水既可以實(shí)現(xiàn)固液分離，又可以對COD、BOD等有機(jī)物降解，還可以對染色水進(jìn)行脫色處理。       

       5、超聲波還可以作為傳統(tǒng)化學(xué)殺菌處理的輔助技術(shù)，在用傳統(tǒng)化學(xué)方法進(jìn)行大規(guī)模污水處理時(shí)，增加超聲波輻射，可以大大降低化學(xué)藥劑的用量。

 

未來超聲波在污水處理需解決的問題

 

        雖然超聲波在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用雖然已經(jīng)得到了人們廣泛地認(rèn)識(shí)，但是有許多問題仍然有待解決

        1、超聲波反應(yīng)的條件控制比較困難。不同的底物由于其不同物理化學(xué)性質(zhì)，其最佳的分解條件是不同的，尤其是考慮其經(jīng)濟(jì)性時(shí)。分解不同的底物時(shí)，為使其達(dá)到最佳的分解效果，必須對超聲波的強(qiáng)度、分解時(shí)間、催化劑等條件進(jìn)行試驗(yàn)。

        2、到目前為止，超聲波技術(shù)還沒有大規(guī)模運(yùn)用到實(shí)踐中，許多的應(yīng)用都是在實(shí)驗(yàn)室里完成。這些試驗(yàn)都是針對某一類底物，模擬該物質(zhì)的溶液進(jìn)行處理。超聲波有待進(jìn)一步在實(shí)踐中的考驗(yàn)。

        3、超聲波大規(guī)模應(yīng)用的問題主要在處理設(shè)備上，研制出能夠連續(xù)進(jìn)行污水處理、低能耗、大容量的超聲波反應(yīng)器是關(guān)鍵所在。

 

 

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