超声波降解有机污染物的机理

2009-06-30 来源: 印染在线点击次数：107

关键字：超声波有机污染物

1．1 声化学反应的动力一一声空化

超声波是指频率在15 kHz以上的声波，它在溶液中以一种球面波的形式传递，而频率在0．015一1 MH。的超声辐照溶液，被公认为会引起许多化学变化。超声波对有机污染物的降解并不是来自声波与有机物分子的直接作用，而是主要来源于声空化现象。超声空化是液体中的一种极其复杂的物理现象，它是指液体中的微小泡核在超声波作用下被激化，表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。在声波负压半周期，当足够强度的超声波通过液体时，如果声压幅值超过液体内部静压强，存在于液体中的微小气泡(空化核)就会迅速增大；在相继而来的声波正压周期中，气泡又绝热压缩而崩溃，在崩溃瞬间产生极短暂的强压力脉冲，气泡中间会产生5 oooK以上的高温，局部压力在5×107Pa以上，气泡与水界面处温度也可达2 000 K。由于这种局部的高温、高压存在的时间仅几微秒，所以温度变化率高达109K／s，同时还伴有强大的冲击波和时速达400 km／h的射流，这就为有机物的降解创造了一个极端的物理化学环境。声化学反应主要源于声空化一一液体中空腔的形成、振荡、生长、收缩至崩溃及其引发的物理、化学变化。声空化产生的高温高压条件足以打开结合力很强的化学键，并且促进“水相燃烧”反应。

在超声空化作用过程中产生的高温、高压条件下，水分子可以裂解产生自由基：

H20→·OH+·H

自由基含有未配对电子，化学性质活泼，可与气泡中挥发性溶质反应，或在气泡界面区以及溶液中与可溶性溶质反应，形成最终产物，从而使常规条件下难处理的污染物得到降解。总之，声化学反应的本质是同时有热解(即燃烧)和自由基反应(特别是高浓度溶液)，在溶液其它地方(液

相)所发生反应为自由基反应，本质上与常规自由基反应没有区别。

1．2 影响空化作用的因素

1．2．1 超声系统

超声系统包括频率和声强或声功率。研究表明，高频超声波有助于提高超声降解速度，这是由于羟基自由基的产率随声源频率的增加而增加，但频率还与超声波的衰减有关。增加声强强度，有利于氧化反应，增大降解速度。如利用探头式超声波发生器降解农药甲胺磷水溶液时，随着声强的增加，空化程度增加，甲胺磷的降解率增大，但声能太大，空化泡会在声波的负相长得很大而形成声屏蔽，系统可利用的声场能量反而降低，降解速度也随之下降””。

1．2．2 体系性质

体系性质主要包括体系蒸汽压、温度，溶剂、溶液中饱和气体的种类等。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，会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汽压增大，这些变化对超声空化不利。一般声化学效率随温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，超声降解试验一般都在室温下进行。水中溶解的气体，分散的小气泡，或由于热扰动产生的气泡以及固体微粒等，都有可能促进空化作用。

反应体系中溶解性气体的存在可提供空化核，以稳定空化效果。溶解气体的绝热指数越大，声化学效应越明显。因此，在声化学中，单原子气体(He、Ne、Ar)比双原子气体和空气(N2、02)用得多一些。用频率为20 kHz的超声波降解溶解h、Ar、He、0，四种气体水溶液时，由于溶解气体的不同，H202和·OH的生成速度变化约为一个数量级。

在溶液中加入盐，能改变有机物的活度，因此可改变有机物在气一液界面相与本体液相之间浓度的分配，以影响超声降解速率。例如，在溶液中投加NaCl，对酸性红B降解有较大影响。当溶液中NaCl 浓度从0 g／L增加到1 g／L，酸性红B的降解率可从43％提高到近90％。这是因为加盐后，水相中离子强度增加，更多的染料分子进入到超声过程产生的空穴中。

1．2．3 反应器结构

对反应器构造的研究，主要是反应器内是否易建立起混响场和外部能否施加压力等。目前，超声波主要有探头式和槽式两类间歇式反应为主的反应器。这类反应器不利于污染物的净化。为提高超声波降解污染物的效率，近年来，科研人员除了对超声波的降解机理、性能等进行探讨外，还对超声波反应器进行了大量的研究，一些改进了的反应器也不断问世。如在污染物的连续净化方面，近距离平行板式超声波换能器系统装置，就比传统的探头更有效。平行板式近场声处理器(NAP、英国Lewis公司开发)的NAP反应器使用双超声频率，减少了驻波的产生，提高了空化泡的数量，它的开发为超声技术从实验室走向实际应用提供了技术支持。rhoma G，利用NAP处理含苯和甲苯的废水取得了较好的效果。苏州大学的芮延年等”“设计了矩阵式混响超声裂解反应器，通过三维共振方式来提高声强(这种超声波产生的场强是单一金属板场强的若干倍)。当染料废水从中流过时，在共振场的作用下，空化泡爆聚崩溃而产生强大的冲击波或射流，使得废水中的染料产生超声裂解反应，处理效果较好。