1前言

由于生物處理對有些物質不能適用，這一傳統的水處理方法已經難以滿足人們對于環(huán)境質量的嚴格要求。于是一些新的水處理方法逐漸興起，這些方法有些是徹底地處理廢水，有些是降低廢水的毒性以便進一步地生物處理。氣穴技術就是其中之一，它能夠用來有效地破壞或者改變復雜化合物及難以生物降解材料的結構。

超聲波由于能產生氣穴，從而能氧化分解傳統方法所不能處理的廢水。這一特性使其在廢水處理領域有著廣泛的應用前景。一般來說，產生氣穴的方式有四種：超聲波、水力、粒子及光子。其中，利用超聲波產生氣穴和基于這一原理的聲化學反應器引起了人們的廣泛興趣。自上個世紀60年代聲化學發(fā)展以來，用超聲波能量處理工業(yè)和生活污水得到了大量地應用。而事實上，由于人們對降低有毒污染物的需求越來越來高，超聲波在水處理領域得到了不斷地發(fā)展。許多研究人員在實驗室里利用超聲波反應器完成了對用傳統的方法難以處理的物質。

2超聲波反應機理及影響因素

2.1超聲波反應機理

超聲波是指頻率在2000Hz以上的聲波，它具有聲波的普遍特性。但是由于其頻率高于一般聲波，因而就有一些特殊的性能。雖然超聲波化學轉化的有關機理還不是很清楚，研究人員提出了以下幾種反應機理：熱分解、羥基自由基氧化、等離子化學和超臨界氧化。熱分解發(fā)生在氣穴內部，主要表現在當溶劑或待分解物滲透進入氣泡后被分解。事實上，往往在氣泡里的能量不足以打斷化學鍵，而在水溶液中，主要的熱分解反應是對水的分解。這一熱解反應導致了在氣泡中產生了活性相對較高的自由基，這些自由基會在氣泡里或者氣泡周圍重新結合。否則，在這些自由基進入溶液以后可能與一些大分子接觸從而氧化它們。羥基自由基氧化與熱解之間的比率取決于溶質的位置，要看是在氣泡里或者是界面層，還是在溶液里。但是，歸根到底取決于物質的物理化學性質。表1是一些物質的情況反映。

當然，仍然有一些參數還不是很清楚。研究人員提出決定化合物進入氣泡的性質不是其蒸汽壓而是其疏水性。因此，親水的化合物如苯酚和氯酚可能會在溶液中或者界面處受到羥基的攻擊。其它的一些疏水性化合物如四氯化碳、苯和氯苯可能主要是在氣泡中熱解。但是，其它的情況也有可能影響降解的位置，也有些情況是一些機理的互相競爭?？傊?，疏水性化合物和揮發(fā)性化合物易于被超聲波降解，而不揮發(fā)和親水性化合物超聲波是難以降解的。

另一種反應的機理是等離子化學。這與超聲波發(fā)光與光致發(fā)光之間的關系和光化學與聲化學之間的關系相似。這種等離子的效應是由于對超聲波能量的吸收，從而在氣泡中形成為等離子體。

以上提到的假設可以歸結為超臨界水的聲化學反應。事實上許多的研究人員都發(fā)現，在氣泡和溶液的界面層存在著超過臨界條件的高溫高壓(647K、22.1MPa)，這使得媒介有流體的物理性質。這些條件可通過改變溶質的溶解度和分散度來改善反應。但是，超臨界水的界面自由基只有幾毫秒的壽命和幾毫米的范圍。

2.2反應的影響因素

超聲波反應中，分解化合物的性質是決定反應進程的主要因素。而其它反應條件對反應進程也有不同程度的影響，其主要體現在對反應常數的影響。研究人員在分解芳香族化合物時發(fā)現底物的起始濃度和超聲波的能量強度對反應速率有著不同程度的影響。隨著底物濃度的增加反應速率降低。這是因為由于濃度的升高，導致比熱容的降低，而比熱容降低導致了降解速率的降低。而當底物主要是在氣泡中分解時，降解速率取決于氣泡的數量。而隨著超聲波密度的增加，氣泡的數量也會增加，從而提高了反應的速率。

在反應體系中加入媒介氣體對反應的進程也有不同程度的影響。研究人員在用超聲波分解二硫化碳時發(fā)現，在不同的氣體媒介中，其反應的速率為He>空氣>N2O>Ar。其在He的反應體系中的速率是在Ar中的3倍。氣體的影響因素主要是體現在對聲化氣泡間撞擊上。氣體的許多性質都可以影響聲化反應，如比熱容、熱導率和溶解性。比熱容影響反應的效果表現在高比熱容的單原子比低熱容的多原子能產生更高的溫度和壓力。而低熱導率的氣體降低了氣體撞擊熱能的傳遞，從而降低了撞擊的溫度。氣體的溶解度也是一個影響的因素。氣

體的溶解度越大，它就越可能擴散到氣穴中。這些溶解的氣體為氣穴的形成提供核心。當然還有一些其它的因素如時間、水中干擾物質、催化劑(TiO2)等。許多研究表明，無論哪種因素的影響，超聲波反應器的經濟性不能忽視。

3超聲波在水處理中的應用

超聲波由于其獨特的特性，有著廣泛的應用范圍。但一般說來，單一的超聲波處理并不能達到滿意的處理效果。目前的研究主要集中在超聲波與其它處理方法的聯合處理廢水。

3.1強化生物處理

利用超聲波技術可以改善污泥的固-液界面、加強氣體的傳質和營養(yǎng)物傳遞，從而強化生物處理。O?Schlafer研究人員利用低功率超聲波處理釀酒工業(yè)廢水，生物反應器獲得了較好的處理效果。在實驗中，超聲波功率為0.3W/L、頻率25kHz。經過超聲波處理后的生物絮體濃度由0.12g/L增加為0.4g/L，處理效率提高了50%。

寧平等利用超聲波輻射-活性污泥聯合處理焦化廢水，研究表明，當選擇空氣作為曝氣氣體，向廢水中曝氣而不用超聲波時，廢水中CODCr降解率僅為45%;在聲能強度為119.4kW/m2條件下，用超聲波時其降解率可達65%;當把超聲波輻射-活性污泥聯合處理焦化廢水時，CODCr的降解率提高到81%。同時發(fā)現經超聲波預處理后的廢水中無亞硝酸氮，而且加活性污泥后，其耗氧速率有明顯的降低，說明經超聲波處理后的焦化廢水對生物無毒性。

3.2處理造紙黑液

造紙黑液是由木質素與腐殖酸物質構成的色度極暗、顏色很深的廢液，對其進行處理一直是工業(yè)水處理的難題之一。沈壯志等采用PFS/H2O2與超聲波聯合處理，通過對比發(fā)現，聯合超聲波處理后CODCr的去除率提高了13%左右、PFS節(jié)約14%、H2O2節(jié)約50—80%。周珊等利用超聲波技術與組合高級氧化技術對造紙黑液進行處理。研究發(fā)現在超聲波輻照下，可以將造紙廢液中大分子有機污染物部分分解為小分子有機物。在溫度30℃、pH為6條件下，單獨超聲波輻照4h，CODCr去除率為17.5%、TOC去除率為13.7%。但在US-H2O2-FeSO4工藝下輻照4h，由于活性自由基的產生，使廢液CODCr去除率高達47.9%、TOC去除率高達45.8%。

3.3超聲波-物理能場分解有機物

在水處理中物理能場的應用比較廣泛，將超聲波和其它物理能場(光場、電場、磁場)相聯合是水處理中的研究方向之一。E?Naffrechoux等將超聲波與紫外光聯合處理生活污水分解有機物，研究認為，在分解有機物過程中存在三種作用：紫外光分解、超聲波形成羥基自由基氧化分解、紫外光分解空氣產生臭氧氧化分解。付榮英等利用超聲波和紫外光協同作用氧化降解鄰氯苯酚，研究表明，紫外光和H2O2體系對鄰氯苯酚的降解率僅為43%。而聯合超聲波后，降解率可達83%。這說明超聲波與紫外光產生了協同作用。超聲波與電場聯合是一種新型的水處理技術。劉靜等利用超聲波和電場處理印染廢水，在初始濃度為370mg/L、pH=2、電壓為5V的最佳條件下作用60min，印染廢水的脫色率可達96.6%。研究發(fā)現單獨超聲波對印染廢水的降解能力較弱，而超聲波-電場協同作用下的脫色率遠大于單一電場作用。

4結論

超聲波在水處理領域的應用雖然已經得到了人們廣泛地認識，但是有許多問題仍然有待解決。

4.1超聲波反應的條件控制比較困難。不同的底物由于其不同物理化學性質，其最佳的分解條件是不同的，尤其是考慮其經濟性時。分解不同的底物時，為使其達到最佳的分解效果，必須對超聲波的強度、分解時間、催化劑等條件進行試驗。

4.2到目前為止，超聲波技術還沒有大規(guī)模運用到實踐中，許多的應用都是在實驗室里完成。這些試驗都是針對某一類底物，模擬該物質的溶液進行處理。超聲波有待進一步在實踐中的考驗。

4.3超聲波大規(guī)模應用的問題主要在設備上，研制出能夠連續(xù)處理廢水、低能耗、大容量的超聲波反應器是關鍵所在。

來源:《四川化工》  作者:龔安華等

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