《若干水处理技术进展和趋势》中山大学研究.ppt

声化学上利用的空化多为瞬间空化，即在较大的声能作用下，发生在声波周期内的空化。此时在声波负压相中，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。在空化泡崩溃的极短时间内含在空化泡周围的极小空间中产生高温、高压并导致产生?OH自由基、H2O2超临界水的形成等。而致声致发光（Sonoluminescence ）的现象。高压将在液体介质内产生强烈的冲击波（均相）或高速（110m/s）、强冲击力的微射流（非均相）。 功率超声波（Power ultrasound）的频率范围为20~100 KHz，声化学研究使用的超声频率范围为200KHz~2MHz，前者主要利用超声波的能量特性，而后者则同时利用了超声波的频率特性。 水溶液中发生超声空化时，物系可以划分为空化气泡、空化气泡表面层和液相主体三个区域：1、空化气泡：在空化气泡崩溃的极短时间内，气泡内的 水蒸汽会发生热分解反应，产生?OH自由基、?H自由 基、氧原子，也可以发生自由基裂解反应产生N和O 自由基。2、空化气泡表面层：它是围绕空化气泡一层很薄的液膜 界面（超热液相层）。它处于空化时的中间条件，存 在着高浓度的?OH自由基，且水呈超临界状态，有机 物在该区域会发生?OH氧化和超临界水氧化反应。3、液相主体内：前两个区域中未被消耗的氧化剂如?OH 自由基会在该区域内继续与溶质进行反应，但反应量 很小。 由此可知，超声声化学降解废水中的污染物主要发生在空化泡及其表面层这两个区域，降解途径可单独或同时为直接热分解，?OH等自由基的氧化和超临界水氧化这三种途径，降解途径与污染物的物化性质有关。超声降解的影响因素： 1、超声波的功率强度：超声降解速率一般随功率强度的增大而增加。但也不能太高，过高反而不利，因为声能太大，空化气泡会在声波的负相时长得很大而形成声屏蔽，使系统可利用的声场能量反而降低，降解速度反而下降。 2、超声波频率：高频超声波有助于提高超声降解速度。这是由于?OH自由基的产率随声波频率的增加而增加。在超声降解过程中，超声强度和频率之间可能有一个最佳匹配问题，而且频率的选择与被降解有机物的结构、性质以及降解历程有关，并不是在所有情况下高频超声波都是有利于降解的。作为高级氧化技术，超声降解可以通过调整频率和饱溶解气体来达到最佳效果。目前制造高频率低功率（如超声诊断仪）和低频率大功率的超声波发生器（如大型超声波清洗槽）的工艺技术都已成熟，但高频率大功率超声波发生器的制造还存在技术上的困难。 3、超声波反应器结构：反应器设计的目的就是在恒定输 出功率条件下尽可能提高混响场强度增强声空化效果。 反应器工作可以是连续的或是间歇的，超声波发生元 件可置于反应器的内部或外部，可以是不同频率元件 的组合。4、溶解气体的影响：溶解气体对降解速率和程度的影响 主要有两方面：对空化气泡的性质和空化强度影响大； 如N2、O2等产生的自由基也参予降解反应，总之， 影响降解机理和热力学、动力学行为。5、溶液介质的性质：如pH值、表面张力、粘度、电解质 组分、浓度等都会影响声空化的效果。 6、温度：对声空化的强度和过程动力学有重大的影响， 导致影响降解的速率和深度。一般声空化降解效率随 温度的升高呈指数下降，因此声化学氧化反应在低温 下（20。C）进行较为有利，所以一般都在室温下进 行。7、协同效应：超声声化学氧化技术作为一项新技术，至 今还处于探索阶段，要实现工业化需要进一步提高声 能的利用率和降解速度，所以如何有效地利用超声空 化是超声声化学氧化技术的主要研究方向。将它与其 他深度氧化技术相结合，有可能在充分发挥超声波的 化学效应的同时也使其机械效应通过对其他过程的强 化效应得到发挥，从而产生协同效应，提高降解速率 和氧化程度。我们这几年也作了有益的尝试。 超声声化学氧化技术是一种清洁的水处理技术，如能很好发挥与其他氧化技术的协同作用，其应用前景是十分广阔的。例如将它与电化学氧化、光催化氧化、化学氧化等相耦合，其指导思想应该是充分利用超声波的化学效应和机械效应，而后者在非均相体系中能最大程度地发挥作用。这就是在选择耦合技术时需要考虑的因素。 （四）光催化氧化技术 N型半导体作为催化剂主要有TiO2、ZnO、Fe2O3、CdS和WO3等。WO3和CdS的光催化稳定性