超聲在水處理中的研究現(xiàn)狀
摘要:綜合介紹了近年來超聲波技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用及研究進(jìn)展,并對目前的研究成果和今后的發(fā)展做了探討。
關(guān)鍵詞:超聲降解;聲強(qiáng);聲功率;污水
隨著現(xiàn)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(shù)。超聲波作為一種高頻機(jī)械波,具有波長較短,能量集中的特點,并且其操作簡單,對設(shè)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(jī)污染物。
1 超聲水處理的機(jī)理
一般情況下,超聲降解水中有機(jī)物是通過誘發(fā)聲空化進(jìn)行的。超聲空化的作用主要歸結(jié)為熱分解、自由基氧化及等離子化學(xué)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(dá)到共振半徑而強(qiáng)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(chǎn)生的自由基更容易進(jìn)入液相主體中,但聲學(xué)周期短,空化泡小,因此空化極限大但強(qiáng)度弱。每種有機(jī)物依據(jù)各自的物理化學(xué)性質(zhì)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(qiáng)及聲功率
聲強(qiáng)或聲功率對聲解速率也至關(guān)重要。目前聲強(qiáng)的研究范圍多在1～100w/cm2。一般而言,降解速率隨聲強(qiáng)增大而增大且呈線性關(guān)系。另有一些學(xué)者認(rèn)為降解速率隨聲強(qiáng)的增大有一極大值,當(dāng)超過極值時,降解速率隨聲強(qiáng)的增大而減少,原因是當(dāng)聲強(qiáng)增大到一定程度時,溶液與產(chǎn)生聲波的振動面之間會產(chǎn)生退耦現(xiàn)象,從而降低能量利用率。此外,聲強(qiáng)過高時,會在振動面處產(chǎn)生氣泡屏,從而導(dǎo)致聲強(qiáng)衰減。
2.3聲壓振幅
聲強(qiáng)與聲壓振幅的平方成正比。聲壓振幅的提高,增加了產(chǎn)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(xiàn)鄰氯苯酚的分解率由5%升至10%。Verect也觀測出反應(yīng)液中自由基的產(chǎn)生量與聲壓振幅的增大呈線性關(guān)系。
2.4溶液中的飽和氣體
比熱比(Cp/Cv)和熱導(dǎo)率為溶解氣體的兩個主要影響性質(zhì)。比熱比值越大,超聲空化時空化泡崩潰瞬間產(chǎn)生的最高溫度(Tmax)越高,空化效應(yīng)越好。熱導(dǎo)率表示氣體導(dǎo)熱性的大小,氣體熱導(dǎo)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(qiáng)度減弱。所以曝氣要選擇比熱比大的,熱導(dǎo)率小的氣體為好。
2.5污染物的初始濃度
參與反應(yīng)的有機(jī)物濃度也會影響反應(yīng)速率。許多文獻(xiàn)指出污染物的初始濃度愈低反應(yīng)愈快,即反應(yīng)速率常數(shù)愈大。以不同初始反應(yīng)物濃度對分解速率的影響進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)物的初始濃度較低時,將有助于反應(yīng)速率的提高。
2.6溶液的pH
由于有機(jī)物本身的酸堿解離常數(shù)的不同,使得pH的高低會對有機(jī)物的存在形態(tài)有相當(dāng)?shù)挠绊。陳氏等提出超聲波的聲解架?gòu),在酸性條件下,某些有機(jī)物如分子態(tài)的鄰氯酚經(jīng)由擴(kuò)散進(jìn)入膜區(qū),并經(jīng)由揮發(fā)進(jìn)入氣相區(qū),分別進(jìn)行熱裂解及·OH的反應(yīng);而在堿性條件下,離子態(tài)的鄰氯酚無法進(jìn)入氣相區(qū),只能在膜區(qū)進(jìn)行反應(yīng)。故pH影響反應(yīng)甚大。所以不同的pH應(yīng)采取不同的反應(yīng)途徑。
2.7反應(yīng)器類型
由于聲的傳播和產(chǎn)生空化效應(yīng)的強(qiáng)弱與反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。大量研究表明反應(yīng)器的設(shè)計應(yīng)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(qiáng)度和動力學(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。溫度升高會導(dǎo)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(xué)效率隨濕度的升高呈指數(shù)下降,因此,聲化學(xué)過程在低溫下(<20℃)進(jìn)行較為有利,超聲降解實驗一般都在室溫下進(jìn)行。
3 超聲降解技術(shù)的展望及今后的研究方向
聲化學(xué)作為一門邊緣學(xué)科,而超聲空化降解水體中有毒的有機(jī)物正在逐漸形成該研究領(lǐng)域的一個分支,但目前仍處于基礎(chǔ)研究階段,要使該技術(shù)工程化和產(chǎn)業(yè)化還需要進(jìn)行大量的工作。
(1)研究不同頻率的聲化效應(yīng)及兩種不同頻率協(xié)同效應(yīng),拓寬聲化應(yīng)用范圍。
(2)揭示聲化學(xué)的反應(yīng)機(jī)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(jī)物的機(jī)理和動力學(xué),為最優(yōu)設(shè)計反應(yīng)器、最優(yōu)操作超聲空化過程提供理論參數(shù)。除理論研究之外,還需解決技術(shù)性問題,如尋求長期耐腐蝕、耐高溫和耐高壓的反應(yīng)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(yīng)速度,但還是有人發(fā)現(xiàn)I-能夠加速水體中CCl4和H2S的降解。
(5)與其它降解技術(shù)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(xiàn)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(shù)加以推廣。
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