超聲在水處理中的研究現狀
摘要:綜合介紹了近年來超聲波技術在廢水處理中的應用及研究進展,并對目前的研究成果和今后的發(fā)展做了探討。
關鍵詞:超聲降解;聲強;聲功率;污水
隨著現代工業(yè)的發(fā)展和世界人口的膨脹,用水量不斷增加,工業(yè)廢水和生活污水的排放量也逐年增加。世界各國都在努力尋求快捷有效的污水處理及控制技術。超聲波作為一種高頻機械波,具有波長較短,能量集中的特點,并且其操作簡單,對設備要求低,又綠色環(huán)保,所以近年來被廣泛用于處理工業(yè)廢水中高毒性、難降解的有機污染物。
1 超聲水處理的機理
一般情況下,超聲降解水中有機物是通過誘發(fā)聲空化進行的。超聲空化的作用主要歸結為熱分解、自由基氧化及等離子化學和高級氧化等三方面。
2 影響超聲降解率的主要因素
2.1超聲波頻率
超聲波在低頻時,空化泡少但直徑大,空化泡有明顯的生長、崩潰過程,空化核在稀疏階段達到共振半徑而強烈振蕩,而后瞬間發(fā)生塌縮崩潰,因而爆破更加猛烈。在高頻時,空化泡的形成和崩潰得更快,產生的自由基更容易進入液相主體中,但聲學周期短,空化泡小,因此空化極限大但強度弱。每種有機物依據各自的物理化學性質一般具有特定的頻率操作范圍,所以頻率有一優(yōu)化值。
2.2聲強及聲功率
聲強或聲功率對聲解速率也至關重要。目前聲強的研究范圍多在1～100w/cm2。一般而言,降解速率隨聲強增大而增大且呈線性關系。另有一些學者認為降解速率隨聲強的增大有一極大值,當超過極值時,降解速率隨聲強的增大而減少,原因是當聲強增大到一定程度時,溶液與產生聲波的振動面之間會產生退耦現象,從而降低能量利用率。此外,聲強過高時,會在振動面處產生氣泡屏,從而導致聲強衰減。
2.3聲壓振幅
聲強與聲壓振幅的平方成正比。聲壓振幅的提高,增加了產生空化的有效液體區(qū)域和空化泡的尺度范圍,從而提高超聲效果。Lin等[5]通過控制振幅由72μm增大到120μm時,發(fā)現鄰氯苯酚的分解率由5%升至10%。Verect也觀測出反應液中自由基的產生量與聲壓振幅的增大呈線性關系。
2.4溶液中的飽和氣體
比熱比(Cp/Cv)和熱導率為溶解氣體的兩個主要影響性質。比熱比值越大,超聲空化時空化泡崩潰瞬間產生的最高溫度(Tmax)越高,空化效應越好。熱導率表示氣體導熱性的大小,氣體熱導率越大,在空化泡崩潰的過程中積累的熱量越多,熱量更多地傳向周圍液體從而降低Tmax值,空化強度減弱。所以曝氣要選擇比熱比大的,熱導率小的氣體為好。
2.5污染物的初始濃度
參與反應的有機物濃度也會影響反應速率。許多文獻指出污染物的初始濃度愈低反應愈快,即反應速率常數愈大。以不同初始反應物濃度對分解速率的影響進行研究,發(fā)現反應物的初始濃度較低時,將有助于反應速率的提高。
2.6溶液的pH
由于有機物本身的酸堿解離常數的不同,使得pH的高低會對有機物的存在形態(tài)有相當的影響。陳氏等提出超聲波的聲解架構,在酸性條件下,某些有機物如分子態(tài)的鄰氯酚經由擴散進入膜區(qū),并經由揮發(fā)進入氣相區(qū),分別進行熱裂解及·OH的反應;而在堿性條件下,離子態(tài)的鄰氯酚無法進入氣相區(qū),只能在膜區(qū)進行反應。故pH影響反應甚大。所以不同的pH應采取不同的反應途徑。
2.7反應器類型
由于聲的傳播和產生空化效應的強弱與反應器的結構密切相關。大量研究表明反應器的設計應利于其頻率的連續(xù)性改變和容易建立起混響場,這樣才能提高超聲能量的利用率,降低能耗和外部能否施加壓力等。
2.8溫度
溫度對超聲空化的強度和動力學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。溫度升高會導致氣體溶解度減小,表面張力降低和飽和蒸氣壓增大,這些變化對超聲空化是不利的。一般聲化學效率隨濕度的升高呈指數下降,因此,聲化學過程在低溫下(<20℃)進行較為有利,超聲降解實驗一般都在室溫下進行。
3 超聲降解技術的展望及今后的研究方向
聲化學作為一門邊緣學科,而超聲空化降解水體中有毒的有機物正在逐漸形成該研究領域的一個分支,但目前仍處于基礎研究階段,要使該技術工程化和產業(yè)化還需要進行大量的工作。
(1)研究不同頻率的聲化效應及兩種不同頻率協同效應,拓寬聲化應用范圍。
(2)揭示聲化學的反應機理,尋求提高其空化效率的有效途徑等。
(3)研究超聲降解有機物的機理和動力學,為最優(yōu)設計反應器、最優(yōu)操作超聲空化過程提供理論參數。除理論研究之外,還需解決技術性問題,如尋求長期耐腐蝕、耐高溫和耐高壓的反應器材料。
(4)使用催化劑。超聲波對水體中憎水性、易揮發(fā)性污染物,超聲降解的速度較快。似無太大必要靠添加劑來提高反應速度,但還是有人發(fā)現I-能夠加速水體中CCl4和H2S的降解。
(5)與其它降解技術耦合。為提高降解速度,降低費用,要大力研究聲波與其它水處理法相耦合的新工藝。
(6)采用連續(xù)操作。目前超聲波處理廢水存在成本相對偏高,處理量小等問題。而且還處在間歇處理的實驗階段。我們可在實現連續(xù)化操作上做些必要的探索,這樣可以加大處理量,同時減少成本,連續(xù)操作還有利于采用自動化,節(jié)約人力資源和成本,只有處理量大了,速度快了,成本才能降下來,才可能將這種技術加以推廣。
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