超声波技术在水处理中的影响因素
1. 超声波反应器
超声波化学反应的核心是超声波反应器，如何改进反应器的结构，尽可能提高混响场强度，增强空化效果，提高超声波辐射面积，增加反应器的效率是超声波技术应用的核心。反应器可以是间歇的或连续的工作方式，超声波发生元件可以置于反应器的内部或外部，可以是相同频率的或不同频率的组合。Shen等采用低频率(16 kHz)和高频率(800 kHz)双超声波协同处理五氯苯酚(PCP)，试验表明，同样条件下双超声波协同效果好于单一超声波作用。Wang等也就双超声波发生器的协同降解水中PCP效果进行研究，得到同样的结果，20 kHz的超声波分别和其他4种不同频率的超声波发生器协同效果均好于单一发生器，按脱氯效果依次排列为530 kHz>800 kHz>40 kHz>1 040 kHz。笔者就超声波技术消除膜处理反应器中的膜污染进行研究，结果表明对16 kHz功率为5 W的超声波发生器，采用间隙工作方式，可降低能耗60%。
2. 超声波的频率和声强
超声波技术处理水的关键因素是超声波的频率和声强。就单一超声波发生器对水中有机物的降解通常高频率比低频有效，这是由于•HO自由基的产率随声源频率的增加而增加。
Petrier等人在相同的条件下用不同频率超声波处理原水中常见的内分泌干扰物阿特拉津和五氯苯酚，结果阿特拉津在500 kHz高频条件下其降解速率是20 kHz时的7.8倍，而五氯苯酚则达到4.6倍。事实上，在超声波降解过程中，超声波强度和频率之间可能有一个最佳匹配的问题，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。Zhang等就不同频率(20 kHz，80 kHz和1 320 kHz)和声强的超声波处理水源水中的藻类进行研究，结果表明，随着声强的增加，超声波降解反应和空化速率也增加，超声波按一级反应动力学对藻类有较好的去除效果，高频率能够加快藻类去除的反应速度。但是长的反应时间和高频率却导致处理水中藻毒素的增加，超声波强度在48 W以下为处理藻类的最佳条件。
3. pH
超声波技术处理水中有机污染物主要依靠水中生成的自由基的作用，这样原水的pH会对反应产生一定的影响作用。由于超声降解发生在空化泡内或空化泡的气液界面处，所以溶液的pH调节应尽量有利于有机物以中性分子的形态存在并易于挥发进入气泡核内部。Chemat等用超声波处理天然水中的腐殖酸表明，在pH为3时效果最好，随着pH的升高，腐殖酸降解效率有所降低，这是因为酸性条件，腐殖酸更容易接近气泡核。而对于碱性污染物，如苯胺则在碱性条件下比较易于处理。所以最佳pH的确定还需要考虑超声波降解机理和有机污染物本身的酸碱性。同时，由于超声波的作用能产生中间产物，原水pH在处理前后会发生变化，这也是超声波处理水需要考虑的问题。Guo等人用超声波对氯消毒后含有卤代甲烷的水进行研究，发现在195 W/cm2的超声波作用1 h后原水pH从
7.13变为6.69。
4. 外加强化物质
为了提高超声波的效率，通常反应中会通入气体(如空气或氧气)，加入环境友好的铁粉或金属离子。由于超声波的空化作用，使得加入的气体在水中产生活性物质，从而增强对有机物的处理效果。Christian证实水中饱和的氧气在空化泡周围被激发，在水中产生大量的自由基:
O2→2O•(1)
O•+H2O→2•OH (2)
Nagata等就外加空气和氩气对超声波技术处理2-，3-，4-及五氯苯酚进行研究。结果表明对低浓度的氯代苯酚在氩气的条件下更容易降解，这是由于单原子气体具有较高的绝热指数，从而影响空化气泡的生成。Dai等就单独超声波技术、超声波与铁粉协同技术、超声波与二价铁协同技术对水中五氯苯酚的去除进行研究。研究表明协同作用在PCP的降解和•OH自由基生成两方面都有加强作用，空化作用增加了铁粉颗粒的表面积，同时提高了铁粉表面的吸附能力。Kim等就外加离子对超声波处理腐殖酸进行研究，Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)有较好的催化效果，而Al(Ⅲ)、Ca(Ⅱ)和Mg(Ⅱ)对反应有抑制作用。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
