超声在水处理中的研究现状

Posted 2023-01-12 水处理

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综合介绍了近年来超声波技术在废水处理中的应用及研究进展，并对目前的研究成果和今后的发展做了探讨。
随着现代工业的发展和世界人口的膨胀，用水量不断增加，工业废水和生活污水的排放量也逐年增加。世界各国都在努力寻求快捷有效的污水处理及控制技术。超声波作为一种高频机械波，具有波长较短，能量集中的特点，并且其操作简单，对设备要求低，又绿色环保，所以近年来被广泛用于处理工业废水中高毒性、难降解的有机污染物。
1 超声水处理的机理
一般情况下，超声降解水中有机物是通过诱发声空化进行的。超声空化的作用主要归结为热分解、自由基氧化及等离子化学和高级氧化等三方面。
2 影响超声降解率的主要因素
2.1超声波频率
超声波在低频时，空化泡少但直径大，空化泡有明显的生长、崩溃过程，空化核在稀疏阶段达到共振半径而强烈振荡，而后瞬间发生塌缩崩溃，因而爆破更加猛烈。在高频时，空化泡的形成和崩溃得更快，产生的自由基更容易进入液相主体中，但声学周期短，空化泡小，因此空化极限大但强度弱。每种有机物依据各自的物理化学性质一般具有特定的频率操作范围，所以频率有一优化值。
2.2声强及声功率
声强或声功率对声解速率也至关重要。目前声强的研究范围多在1～100w/cm2。一般而言，降解速率随声强增大而增大且呈线性关系。另有一些学者认为降解速率随声强的增大有一极大值，当超过极值时，降解速率随声强的增大而减少，原因是当声强增大到一定程度时，溶液与产生声波的振动面之间会产生退耦现象，从而降低能量利用率。此外，声强过高时，会在振动面处产生气泡屏，从而导致声强衰减。
2.3声压振幅
声强与声压振幅的平方成正比。声压振幅的提高，增加了产生空化的有效液体区域和空化泡的尺度范围，从而提高超声效果。Lin等通过控制振幅由72μm增大到120μm时，发现邻氯苯酚的分解率由5%升至10%。Verect也观测出反应液中自由基的产生量与声压振幅的增大呈线性关系。
2.4溶液中的饱和气体
比热比(Cp/Cv)和热导率为溶解气体的两个主要影响性质。比热比值越大，超声空化时空化泡崩溃瞬间产生的最高温度(Tmax)越高，空化效应越好。热导率表示气体导热性的大小，气体热导率越大，在空化泡崩溃的过程中积累的热量越多，热量更多地传向周围液体从而降低Tmax值，空化强度减弱。所以曝气要选择比热比大的，热导率小的气体为好。
2.5污染物的初始浓度
参与反应的有机物浓度也会影响反应速率。许多文献指出污染物的初始浓度愈低反应愈快，即反应速率常数愈大。以不同初始反应物浓度对分解速率的影响进行研究，发现反应物的初始浓度较低时，将有助于反应速率的提高。
2.6溶液的pH
由于有机物本身的酸碱解离常数的不同，使得pH的高低会对有机物的存在形态有相当的影响。陈氏等提出超声波的声解架构，在酸性条件下，某些有机物如分子态的邻氯酚经由扩散进入膜区，并经由挥发进入气相区，分别进行热裂解及.OH的反应；而在碱性条件下，离子态的邻氯酚无法进入气相区，只能在膜区进行反应。故pH影响反应甚大。所以不同的pH应采取不同的反应途径。
2.7反应器类型
由于声的传播和产生空化效应的强弱与反应器的结构密切相关。大量研究表明反应器的设计应利于其频率的连续性改变和容易建立起混响场，这样才能提高超声能量的利用率，降低能耗和外部能否施加压力等。
2.8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气压增大，这些变化对超声空化是不利的。一般声化学效率随湿度的升高呈指数下降，因此，声化学过程在低温下(<20℃)进行较为有利，超声降解实验一般都在室温下进行。
3 超声降解技术的展望及今后的研究方向
声化学作为一门边缘学科，而超声空化降解水体中有毒的有机物正在逐渐形成该研究领域的一个分支，但目前仍处于基础研究阶段，要使该技术工程化和产业化还需要进行大量的工作。
(1)研究不同频率的声化效应及两种不同频率协同效应，拓宽声化应用范围。
(2)揭示声化学的反应机理，寻求提高其空化效率的有效途径等。
(3)研究超声降解有机物的机理和动力学，为最优设计反应器、最优操作超声空化过程提供理论参数。除理论研究之外，还需解决技术性问题，如寻求长期耐腐蚀、耐高温和耐高压的反应器材料。
(4)使用催化剂。超声波对水体中憎水性、易挥发性污染物，超声降解的速度较快。似无太大必要靠添加剂来提高反应速度，但还是有人发现I-能够加速水体中CCl4和H2S的降解。
(5)与其它降解技术耦合。为提高降解速度，降低费用，要大力研究声波与其它水处理法相耦合的新工艺。
(6)采用连续操作。目前超声波处理废水存在成本相对偏高，处理量小等问题。而且还处在间歇处理的实验阶段。我们可在实现连续化操作上做些必要的探索，这样可以加大处理量，同时减少成本，连续操作还有利于采用自动化，节约人力资源和成本，只有处理量大了，速度快了，成本才能降下来，才可能将这种技术加以推广。