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功率超声在有机废水处理中的应用研究进展 朱昌平 黄 波 （河海大学计算机及信息工程学院，常州 213022 ） 1 引言 利用功率超声（Power ultrasonic ）处理有机污染物是近年来发展起来的一项极具潜力的 新型水处理技术，它集高级氧化、热解，超临界氧化等技术为一体，具有操作简单、降解速 度快、无二次污染等优点，是当前声化学（Sonochemistry）领域研究的热点之一。 超声降解水溶液中的有机污染物主要是通过声空化（Acoustic cavitation ）机制作为主动 力来实现的。在超声水处理技术中，声化学反应器的参数优化与设计是制约该技术从实验室 走向实际应用的瓶颈，对超声降解有机废水的物理参数（频率、声功率、声强及声场分布规 律）和化学参数（溶液的初始浓度、pH 值及反应溶液物系的特性）与处理效果的关系是该 技术推广的基础。为提高超声在处理有机废水的降解效率，将超声与其它技术联合处理有机 废水是近年来超声波水处理技术发展的新方向。 2 声化学反应的主动力——声空化 声空化是一个极其复杂的物理现象。当超声作用液体时，液体中的微小泡核被激活，表 现为泡核的振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程称为声空化效应。通常把声空化 分为稳态空化（Stable cavitation）和瞬态空化（Transient cavitation ）。稳态空化是指在较低 声强作用下即可发生的，内含气体与蒸汽的空化泡行为。当稳态空化泡在定向扩大过程中扩 大到使其自身共振频率与声波频率相等时，发生声场与气泡的最大能量耦合，产生明显的空 化效应。瞬态空化则在较大的声强下发生，而且大多发生在一个声波周期内。在声波负压相 中，空化泡迅速扩大，随之则在声波正压相作用下被迅速压缩至崩溃[1]。 超声化学的主要理论有基于空化效应的热点理论、声致自由基理论和超临界水氧化理论 等。利用功率超声降解有机废水则主要是自由基氧化、高温热解、超临界水氧化和水相燃烧 共同作用的结果[2-6]。在热点理论中，声化学反应是通过超声空化作用把声场能量聚集在微 小空间内，产生异乎寻常的高温高压, 形成所谓的“热点” 。而热点周围的高温高压以及伴生 的机械力量，可产生类似于化学反应中增温、加压，以提高分子活性，从而加快化学反应的 速度。同时进入空化泡内的有机物也可能发生类似燃烧的热分解反应。这就为一般条件下难 以实现的化学反应、分子键的断裂、重组提供一条新的路径。在声致自由基理论中，空化泡 绝热崩溃时产生的高温高压可把热点周围的物质分子裂解成自由基，同时也可使热点附近的 水分子裂解成•OH和•H 自由基。但是, 两种理论对于反应的贡献并不相同，它由具体反应物 系及反应物初始浓度等决定，其中被降解溶液的物系组成对降解效果起主导作用。对挥发性 有机物, 在空化核生长时就进入空化泡并被崩溃产生的高温高压优先热解；对疏水性有机物 (如烃类、有机农药等), 积累并在空化泡疏水边界层发生反应，边界层的•OH 和H2O2 浓度 明显高于周围液体，降解主要由热解和自由基反应完成，但热解占主导地位；对液体中亲水 性有机物(如酚类、苯系物、有机酸等) 的降解主要由自由基或H O 反应完成。而超临界水 2 2 氧化理论则认为，空化产生的高温高压足以使空化泡表层的水分子超过临界点而成为超临界 1 水，超临界水是有机物的优良溶剂，气体可以任意比例溶解其中，同时它具有介电常数低、 扩散性好的特点，因而使传质和反应均大大增快，特别有利于常规条件下难溶解、大分子有 机物的降解。 作为声化学的基础理论研究，国内外众多学者在空化理论方面做了大量的研究，为超声 降解有机废水的研究奠定了理论基础[7-15]。 3 声化学反应器的研究进展 声化学反应器是指超声波引入并在其作用下进行化学反应的容器或系统，是实现声化学 反应的场所。应崇福院士指出，声化学应用长期在实验室而无法在工业上推广应用的瓶颈是 缺乏高效的、大批量处理或流水式连续运行的声学操作系统, 即声化学反应器。因此，为