【正文】 :95 10518 Hirai K， Nagata Y. Researches and development on the control of anic pollutants with ultrasound technology and other technologies related[J]. Journal of environmental engineering,1999,9:38～42哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）30致　謝值此本科學士論文完成之際，首先向我的導師楊威副教授致以崇高的感謝。在日常學習、生活以及畢業(yè)設計期間，楊老師給與我無微不至的關心照顧和悉心指導，并且楊老師的對實驗的態(tài)度及對我的嚴格要求，將對我以后的學習產(chǎn)生深遠的影響。特此深表感謝！感謝哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院實驗室的欒云老師在試驗過程中給予的幫助，感謝他們的辛苦工作。感謝環(huán)境工程專業(yè)的各位老師在大學期間對我的幫助。感謝方國峰，李靜,莊新賀等同學在實驗過程中對我的幫助。 哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）31附　錄英文翻譯哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）32哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）33哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）34哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）35哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）36超聲波及其聯(lián)用技術處理污水中有機污染物的研究和進展作者： Hirai K， Nagata Y摘　要　:本文主要論述了超聲波及其聯(lián)用技術降解有機污染物的原理,影響因素和效果及發(fā)展趨勢。指出超聲波與其他方法聯(lián)用可以大大的提高有機物的降解效率,在處理難降解、有毒、有害有機污染物方面,特別是在凈化環(huán)境,處理優(yōu)先控制污染物方面有很大的應用前景。關鍵詞：　超聲波　廢水處理　聯(lián)用技術　催化氧化超聲波是指頻率高于20kHz的一種高頻率的機械波,它的波長較短,能量很集中,包括高級氧化、熱解、超臨界氧化等技術。它不僅可以改善反應的條件,加快反應速度,還能使一些難以進行的化學反應得以進行。在水處理方面,超聲波主要用于處理廢水中毒性高、難降解的有機污染物。在提高有機污染物的降解速度,達到廢水的無危害,避免二次污染等方面具有很重要的意義。1．超聲波的降解原理超聲波對有機物的降解作用有以下幾個方面。1. 1 空化作用超聲波對有機物的降解不是直接的聲波作用,而是一定強度的超聲波，通過液體時,在聲波負壓的半周期,存在于液體中的微小氣泡(空化核) 會迅速長大,在隨后而來的聲波正壓的半周期中,氣泡又絕熱壓縮而消失,在消失的瞬間,氣泡形成局部熱點,它的溫度高達5kK,壓力能達到50MPa,然后該熱點隨之冷卻,冷卻的速度達到109K/s,并在液體中伴有強大的沖擊波（對于均相液體介質(zhì) )或時速高達400 km 的速流( 對于非均相介質(zhì)) ,這就為有機物的降解創(chuàng)造了一個極端的物理環(huán)境 。1. 2 自由基作用聲空化產(chǎn)生的高溫度，高壓力條件，可以打開結(jié)合力強的化學鍵(約377～418 kJ / mol) 并且促進“水相燃燒”反應。雖然氣泡崩滅瞬間時間不超過 100 ns ,但卻可以使H 2O(水分子中O H鍵能為500 kJ / mol) 分解為H和HO自由基。自由基含有未配對電子,它的性質(zhì)很活潑,可以與氣相中揮發(fā)性溶質(zhì)發(fā)生反應,還可以在氣泡哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）37界面與可溶性溶質(zhì)發(fā)生反應,形成最終的產(chǎn)物。1. 3 機械力剪切作用在含有聚合物的多相體系中,由于空化氣泡消失時會使傳聲介質(zhì)的質(zhì)點，產(chǎn)生很大的瞬時速度和加速度,而引起劇烈的振動。這種劇烈振動宏觀上表現(xiàn)出強大的液體剪切力,會使大分子主鏈上碳的化學鍵發(fā)生斷裂,從而可以起到降解高分子的作用。1. 4 絮凝作用超聲波對混凝具有促進的作用,因為當超聲波通過，含有微小絮體顆粒的液體介質(zhì)時,其中的懸浮微粒與介質(zhì)一起振動,但由于大小不同的粒子具有不同的振動速度,顆粒將相互碰撞、粘合,體積會變大,最后沉淀下來。由于超聲波的作用,將使混凝效果更好,對污染物的去除率會有提高。2 影響超聲降解效果的因素2. 1 超聲系統(tǒng)因素超聲系統(tǒng)因素包括頻率和聲強。一般來說,高頻率(200～900 kHz) 會利于降解,但頻率還與超聲波的減衰有關系。提高超聲聲強,有利于氧化反應,降解速度也會隨聲強的增強而增大。對鄰氯酚等污染物的超聲降解表明:污染物的降解速率隨聲強的提高呈線形提高,但超過極值后,降解速度隨之而降低。2. 2 體系因素體系影響超聲降解效率的性質(zhì)主要有溶劑、溶液中飽和氣體的種類、體系的蒸汽壓、溫度、有機物的種類和濃度、自由基的除劑的含量以及pH 值(不是主要的) 和通氣量。這些因素中溶解性氣體的存在可提供空化核,穩(wěn)定空化效果,一般來說單原子氣體比雙原子氣體、雜原子氣體效果好。當改變界面特性如添加鹽，將會改善空化泡表面的污染物濃度,可使污染物的降解過程得到加強。2. 3 反應器結(jié)構(gòu)因素反應器結(jié)構(gòu)因素包括反應器構(gòu)造、反應器內(nèi)是否能建立起混響聲場和外部能否施加壓力等。目前,超聲波主要有探頭式和槽式兩類反應器,這兩類反應器不利于污染物的凈化。為推動污染物的連續(xù)凈化,近距離平行超聲波換能器系統(tǒng)裝置會比傳統(tǒng)的探頭更有效。2. 4 催化劑因素添加少量催化劑,如氧化性物質(zhì)、Fenton試劑、鐵粉等 ,可促進空化過程中氣泡界面上氫氧自由基、過氧化氫等氧化性物質(zhì)的生成,從而能提高超聲波降解污染物的氧化強度,加快反應速率,有利于有機污染物的降解。哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）383 超聲及其聯(lián)用技術3. 1 超聲/ 臭氧聯(lián)用技術超聲/ 臭氧(US/ O3) 聯(lián)用技術是一種研究最早和最多的技術。臭氧作為一種強氧化劑，用于水處理的關鍵是要臭氧能夠很好地分散和溶解在水中。引入超聲波,可使臭氧充分分散與溶解,提高臭氧氧化能力,節(jié)約電能,減少臭氧的投加量。1976 年,Dhai發(fā)現(xiàn)超聲能夠強化O 3 處理廢水的能力。他認為,在超聲使用下,O 3 的強氧化性主要是由于其分解產(chǎn)生的自由基引起的,而O 3 分子本身只是起到產(chǎn)生自由基的作用。2022 年Nilsun H. Ince 等以C. I 活性黑5染料為唯一底物,采用520 kHz的超聲波協(xié)同 O3 對其進行降解。結(jié)果發(fā)現(xiàn),US/ O3 法對C. I. 活性黑5 的脫色和降解過程都存在著協(xié)同效應。單獨超聲作用對C. I. 活性黑5 的脫色和降解過程都無明顯效果,而在相同試驗條件下,US/ O3 法對C. I. 活性黑5 的脫色率是單獨使用O 3 的脫色率的2倍,US/ O3 . 活性黑5 的降解率比單獨O 3 氧化的降解率提高26% 。由此可見,超聲對O 3 氧化能力具有良好的強化作用,這種強化作用不只是兩者簡單的加和,而是發(fā)生了質(zhì)的飛躍。3. 2 超聲/ 紫外/ 臭氧聯(lián)用技術在US/ O3 體系中引入紫外輻照,可提高有機污染物的降解效果。2022年, E. Naffrechoux 等研究了超聲、臭氧與紫外光組合工藝對芳香族化合物的降解影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),超聲、臭氧與紫外光組合工藝對苯酚廢水COD的降解率有很大的提高,這可能是由于發(fā)生了光化學氧化、高頻率聲化學氧化和O 3 氧化3種不同的氧化過程。3. 3 超聲/ H 2O2 聯(lián)用技術1996 年,Lin 等發(fā)現(xiàn)在超聲反應器中加入H 2O2 后可提高氯酚的降解速度。2022年,T. Quang等研究了超聲/ H2O2聯(lián)合降解和單獨超聲降解氯酚的效果,并詳細探討了其影響因素,包括聲強、溶液pH值、4 氯酚的初始濃度和自由基的清除劑。4 氯酚的超聲降解機理，以自由基氧化為主超聲/ H2O2 聯(lián)合對水中4氯酚的降解率和TOC的去除率均比單獨采用超聲處理的效果好。3. 4 超聲/ Fenton聯(lián)用技術1998 年,Alex De Visscher 等研究了在Fenton (H2O2/ Fe2 + )體系中超聲波對三氯乙烯、鄰氯酚和1 ,3 二氯 2 丙醇的降解影響。動力學分析表明,聯(lián)合技術的降解速率是單獨聲降解與單獨化學降解速率之和。但是, Ingale 等的研究結(jié)果與Alex De Visscher 等相反。3. 5 超聲/ 光化學聯(lián)用技術哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）392022年,W. Chsndi 等采用超聲/ 光化學聯(lián)用技術降解苯酚溶液 ,結(jié)果表明,以TOC去除率為評價的指標,超聲/光化學聯(lián)用技術降解苯酚溶液存在著明顯的協(xié)同效應。2022年,Lev Davydov 等選用4種不同的TiO 2 作催化劑,考察超聲/ 光化學法對水楊酸的降解的影響 。他們得出結(jié)論:與紫外光降解相比,聲光化學法降解水楊酸的降解速率更快,降解效率更高。聲光化學法降解水楊酸時,超聲波與粒徑較小的催化劑(Hombikat) 存在協(xié)同效應,而與粒徑最大的催化劑(Aldrich) 無協(xié)同作用。在超聲條件下,Degussa P25 催化劑對水楊酸有最大的降解活性。同時,他們分析了苯酚在光催化降解時產(chǎn)生的中間產(chǎn)物,并認為超聲波降解了溶液中的有毒的中間產(chǎn)物3. 6 超聲/電化學聯(lián)用技術大多數(shù)有機污染物在陽極氧化時可降解為CO 2 和 H2O。然而,用電解法處理有機廢水,當有機物在電極上被氧化或還原時,會在電極表面生成一層聚合物的膜,從而會改變了電極表面的性質(zhì),導致了電極活性下降和電耗的增加。利用超聲波的空化效應,可使電極恢復,強化反應物從液相主體向電極表面的傳質(zhì)過程,消除濃差的極化。2022年,Lima Leite 等使用頻率分別為20 kHz 和500 kHz的超聲波,選用Pt電極對2 ,4 二羥基安息香酸進行降解 。他們的研究表明,當采用高頻率的超聲波時,產(chǎn)生的HO直接氧化有機污染物。而當采用低頻率的超聲波時 ,超聲波可顯著提高2 ,4 二羥基安息香酸的傳質(zhì)速率。對于濃度為300 mg/ L 的2 ,4 二羥基安息香酸溶液,超聲波的頻率為20kHz ,電流密度為300 A/ m2 ,通過電流量為1. 5 Ah時,溶液的TOC下降了47 %。而在高頻時發(fā)生的聲電氧化降解中,溶液的TOC僅下降了32 %。超聲波在低頻時, 2 ,4 二羥基安息香酸的降解加速,這可能是由于空化效應有利于電極表面的清洗,提高活性電極的表面積。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),聲電降解的中間產(chǎn)物與電氧化降解的中間產(chǎn)物相同。在低頻超聲輻照時,芳香族化合物的中間產(chǎn)物更少,感應電流增加,有效利用了電化學的能,但實驗中總的能耗仍然很高( 200 kW/ kg)4 結(jié)語國內(nèi)外對超聲波的眾多研究結(jié)果表明,超聲波在廢水處理中有著良好的應用前景。上述聯(lián)用技術能有效地降解化學污染物,而且只要條件很合適,有機物可以被徹底降解3為CO 2和無機離子,是一種環(huán)境友好處理技術。但超聲聯(lián)用技術降解水體中污染物的研究,目前主要是在實驗室條件下對某一種有機污染物進行處理,對多種有機污染物混合水樣處理的研究相對較少,而且降解有機污染物的機理尚不清楚,實現(xiàn)工業(yè)化應用仍需做大量的研究。作者認為今后的研究方向是:針對實際多組分難降解物系進行深入的研究。開發(fā)超聲連續(xù)處理工藝。研究更加高效節(jié)能的超聲的反應器,哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）40使其最終成為實用、高效、低成本的水處理技術。哈爾濱商業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）2