超聲波水處理技術(shù)與工藝
二十世紀(jì)九十年代Mason進(jìn)行超聲空化降解水中的有害有機(jī)物的研究，研究證明，超聲降解水中有機(jī)物效果顯著，從而引起很多學(xué)者的興趣。美國、日本、加拿大、德國、法國等國的一些大學(xué)實(shí)驗(yàn)室和研究所紛紛致力于超聲降解有機(jī)物的研究。我國二十世紀(jì)九十年代后期，對超聲降解有機(jī)物的研究，在同濟(jì)大學(xué)取得了很好的效果。迄今昔對比為止，超聲降解已進(jìn)行了包括脂肪烴類、芳香烴類、酚類、酯類、醇類、酮類、胺、酸類、天然有機(jī)物究，取得了很好的效果。
超聲化學(xué)作為一門邊沿科學(xué)的興起是近沿科學(xué)的興起是近十幾年的事情。超聲作用于化學(xué)反應(yīng)，主要來自超聲空化現(xiàn)象，空化泡崩潰產(chǎn)生局部高溫、高壓和強(qiáng)烈的沖擊波及射流，為在一般條件下難以實(shí)現(xiàn)或不可能實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)提供了一種新的非常特殊的物理化學(xué)環(huán)境。
超聲作用于水處理，是近年來聲化學(xué)領(lǐng)域研究的新發(fā)展。
一、功率超聲機(jī)理
當(dāng)一定強(qiáng)度的超聲波在媒質(zhì)中傳播時，會產(chǎn)生力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等一系列效應(yīng)。這些效應(yīng)可歸納為下列三種基本作用：
1、機(jī)械作用。超聲波是機(jī)械能量的傳播形式，與波動過程有關(guān)，會產(chǎn)生線性效變的振動作用。超聲波液體中傳播時，其同質(zhì)點(diǎn)位移振幅雖然很小，但超聲引起的質(zhì)點(diǎn)加質(zhì)點(diǎn)位移振幅雖然很小，但超聲引起的質(zhì)點(diǎn)加速度卻非常大。若20KHz、1W/平方厘米的超聲波在水中傳播，則其產(chǎn)生的聲壓幅值為173Kpa，這意味著聲壓幅值每秒種內(nèi)要在正負(fù)173Kpa之間變化2萬次，最大質(zhì)點(diǎn)的加速度達(dá)144萬米每二次方秒，大約為重力加速度的1500倍，這樣激烈而快速變化的機(jī)械運(yùn)動就是功率超聲的機(jī)械振動效應(yīng)。
2、空化作用。超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時，當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到一定期強(qiáng)度，液體中聲場作用區(qū)域形成局部的暫時負(fù)壓，使液體中的微氣泡生長、澎脹至突然破裂，導(dǎo)致氣泡周圍的液體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的激波，形成局部點(diǎn)的高溫高壓，空化泡崩潰時，在空化泡周圍極小空間內(nèi)產(chǎn)生5000K的瞬態(tài)高溫和約50mpa的應(yīng)。，在空化泡周圍極小空間內(nèi)產(chǎn)生5000K的瞬態(tài)高溫和約50mpa的高壓，且溫度冷卻率達(dá)10的9次方k/s，并伴有強(qiáng)烈沖擊波和時速達(dá)400Km的射流，就是超聲空化效應(yīng)。
3、熱作用。超聲波在媒質(zhì)中傳播，其振動能量不斷被媒質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏棺陨頊囟壬。聲能不間斷的吸收可引起媒質(zhì)中的整體加熱，邊界外的局部加熱和空化形成激波時，波前處的局部邊界外的局部加熱和空化形成激波時，波前處的局部加熱等，這就是功率超聲的熱作用。
二、超聲化學(xué)機(jī)理
1、超聲催化。超聲催化反應(yīng)是一個新興的研究領(lǐng)域。目前，有關(guān)反應(yīng)模型、機(jī)理的研究尚很模糊，但眾多的科研成果確認(rèn)了催化反應(yīng)的顯著效果。其主要作用：一是高溫高壓條件有利于反應(yīng)物裂解成自由基和二階炭，形成更為活潑的物種。二是沖擊波和微射流對固體表面有吸解和清洗作用。三是沖擊波可破壞反應(yīng)物結(jié)構(gòu)，分散反應(yīng)物系。四是超聲空化導(dǎo)致金屬品格的變形和內(nèi)部應(yīng)變區(qū)的形成，從而提高金屬化學(xué)反應(yīng)活性。超聲條件下的反應(yīng)速率比沒有超聲時增加了100000倍，且反應(yīng)時間大且反應(yīng)時間大大縮短。
2、超聲降解。超聲處理可以降解大分子，尤其是處理高分子量聚合物的降解效果更顯著。超聲降解源于超聲的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)。
三、功率超聲在水處理中的應(yīng)用
功率超聲的空化效應(yīng)為降解水中有害有機(jī)物提供了獨(dú)特的物理化學(xué)環(huán)境從而導(dǎo)致超聲波污水處理目的的實(shí)現(xiàn)。超聲空化泡的中有害有機(jī)物提供了獨(dú)特的物理化學(xué)環(huán)境從而導(dǎo)致超聲波污水處理目的的實(shí)現(xiàn)。超聲空化泡的崩潰所產(chǎn)生的高能量足以斷裂化學(xué)鍵。在水溶液中，空化泡崩潰產(chǎn)生氫氧基(OH?)和氫基(H?)，同有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)？栈(dú)特的物理化學(xué)環(huán)境開辟了新的化學(xué)反應(yīng)途徑，驟增化學(xué)反應(yīng)速度，對有機(jī)物有很強(qiáng)的降解能力，經(jīng)過持續(xù)超聲可以將有害有機(jī)物降解為無機(jī)離子、水、二氧化碳或有機(jī)酸等無毒或低毒的物質(zhì)。
超聲降解水中有機(jī)污染物技術(shù)既可單獨(dú)使用，也可利用超聲空化效應(yīng)，將超聲降解技術(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：
超聲與臭氧聯(lián)用，以超聲降解、殺菌與臭氧消毒共同作用于污染水的處理。
超聲與磁化處理技術(shù)聯(lián)用，磁化對污染水體既可以實(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。
超聲還可以直接作為傳統(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)模水處理時，增加超聲輻射，可以大大降低化學(xué)藥劑的用量。
四、與超聲波聯(lián)用的相關(guān)工藝技四、與超聲波聯(lián)用的相關(guān)工藝技術(shù)介紹
1、污水的固液分離是超聲處理的前提。污水或廢水一般伴有懸浮污物或雜質(zhì)，因此必須有收集裝置，這種裝置可以是污水池或污水槽，其中的大體積雜物和污物應(yīng)與污水分離，當(dāng)一些細(xì)小體積的懸浮物則可添加聚丙烯酰胺絮凝劑或無機(jī)絮凝劑。
陰、陽非離子型聚丙烯酰胺絮凝無機(jī)絮凝劑。是一種水溶性的高分子聚合物或電解質(zhì)。由于其分子鏈中含有一定數(shù)量的極性基因，它能通過吸附污水中懸浮的固位粒子，使粒子間架橋或通過電荷中和使粒子凝聚成大的絮凝物，從而加速懸浮液中粒子的沉降，有非常明顯的加快溶液澄清，促進(jìn)過濾等效果。若同時使用無機(jī)絮凝劑(聚合硫酸鐵濃縮劑、聚氯化鋁、鐵鹽等)，則可顯示無機(jī)絮凝劑(聚合硫酸鐵濃縮劑、聚氯化鋁、鐵鹽等)，則可顯示出更大的效果。絮凝劑的添加量一般為0.0110g每立方米，在冷水中也能完全溶解。其主要作用是澄清凈化作用、沉降促進(jìn)作用、過濾促進(jìn)作用、增稠(濃)作用、是廢水、廢液處理中的常用品。
2、過濾是污水廢水處理中的必要條件。其目的是將污水中含有小于等于20mg/L濃度的懸浮顆粒物、膠質(zhì)顆粒物加以濾除。這里的過濾無須活性炭類精密昂貴的裝置，普通機(jī)械過濾器完全可以滿足后工藝的要求。
3、超聲污水處理中水處理劑的作用。前述的超聲化學(xué)機(jī)理超聲在水處理中的作用，若同時添加水處理劑與超聲聯(lián)用，則效果更為顯著。固體二氧化氯水處理劑在水處理中的機(jī)理包括次氯酸氧化作用和新生氧作用過程兩部分。次氯酸的氧化作用。這是主要的殺菌機(jī)理。當(dāng)固體二氧化氯水處理劑容于水后，水解生成次氯酸，作用于菌體蛋白質(zhì)。次氯酸不僅可以與細(xì)胞壁發(fā)生作用，而且因分子小，不帶電荷，容易侵入細(xì)胞內(nèi)發(fā)生作用或破壞其磷酸脫氫酶，使糖代謝失調(diào)而致細(xì)菌死亡。
新脫氫酶，使糖代謝失調(diào)而致細(xì)菌死亡。
新生氧作用。由于次氯酸分解形成新生氧，將菌體蛋白質(zhì)氧化，新生態(tài)氧同細(xì)胞原槳相結(jié)合從而起到殺滅微生物作用。
4、紫外線與超聲波聯(lián)天。紫外C殺菌技術(shù)。紫外線是一種肉眼看不見的光波，依據(jù)不同的波長范圍，被分割為A、B、C三種波段，而253.7nm又是紫外線C波段中的波長最強(qiáng)點(diǎn)。長范圍，被分割為A、
紫外線主要作用于微生物的核酸，脫氧核糖核酸(DNA)核糖核酸(RNA)等，導(dǎo)致其被破壞。紫外C水消毒技術(shù)是利用紫外線的消毒原理，對流經(jīng)水體中的病毒，細(xì)菌及其他致病體的DNA進(jìn)行物理破壞，使其無法繁殖和復(fù)制。紫外C用于大水量消毒完全可以取代臭氧，過濾水量消毒完全可以取代臭氧，過濾膜，氧化物等傳統(tǒng)手段，安全可靠，決無二次污染。
綜上所述，與超聲波聯(lián)用的污水處理技術(shù)與設(shè)備有：
(1)固液分離過濾器與超聲波降解聯(lián)用設(shè)備;
(2)固液分離、超聲波降解與臭氧消毒聯(lián)用設(shè)備;
(3)固液分離、超聲波降解與紫外光消毒聯(lián)用設(shè)備。
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