超聲波技術(shù)在水處理中的影響因素
1. 超聲波反應(yīng)器
超聲波化學(xué)反應(yīng)的核心是超聲波反應(yīng)器，如何改進(jìn)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，盡可能提高混響場強(qiáng)度，增強(qiáng)空化效果，提高超聲波輻射面積，增加反應(yīng)器的效率是超聲波技術(shù)應(yīng)用的核心。反應(yīng)器可以是間歇的或連續(xù)的工作方式，超聲波發(fā)生元件可以置于反應(yīng)器的內(nèi)部或外部，可以是相同頻率的或不同頻率的組合。Shen等采用低頻率(16 kHz)和高頻率(800 kHz)雙超聲波協(xié)同處理五氯苯酚(PCP)，試驗表明，同樣條件下雙超聲波協(xié)同效果好于單一超聲波作用。Wang等也就雙超聲波發(fā)生器的協(xié)同降解水中PCP效果進(jìn)行研究，得到同樣的結(jié)果，20 kHz的超聲波分別和其他4種不同頻率的超聲波發(fā)生器協(xié)同效果均好于單一發(fā)生器，按脫氯效果依次排列為530 kHz>800 kHz>40 kHz>1 040 kHz。筆者就超聲波技術(shù)消除膜處理反應(yīng)器中的膜污染進(jìn)行研究，結(jié)果表明對16 kHz功率為5 W的超聲波發(fā)生器，采用間隙工作方式，可降低能耗60%。
2. 超聲波的頻率和聲強(qiáng)
超聲波技術(shù)處理水的關(guān)鍵因素是超聲波的頻率和聲強(qiáng)。就單一超聲波發(fā)生器對水中有機(jī)物的降解通常高頻率比低頻有效，這是由于•HO自由基的產(chǎn)率隨聲源頻率的增加而增加。
Petrier等人在相同的條件下用不同頻率超聲波處理原水中常見的內(nèi)分泌干擾物阿特拉津和五氯苯酚，結(jié)果阿特拉津在500 kHz高頻條件下其降解速率是20 kHz時的7.8倍，而五氯苯酚則達(dá)到4.6倍。事實上，在超聲波降解過程中，超聲波強(qiáng)度和頻率之間可能有一個最佳匹配的問題，而且頻率的選擇與被降解有機(jī)物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及降解歷程有關(guān)。Zhang等就不同頻率(20 kHz，80 kHz和1 320 kHz)和聲強(qiáng)的超聲波處理水源水中的藻類進(jìn)行研究，結(jié)果表明，隨著聲強(qiáng)的增加，超聲波降解反應(yīng)和空化速率也增加，超聲波按一級反應(yīng)動力學(xué)對藻類有較好的去除效果，高頻率能夠加快藻類去除的反應(yīng)速度。但是長的反應(yīng)時間和高頻率卻導(dǎo)致處理水中藻毒素的增加，超聲波強(qiáng)度在48 W以下為處理藻類的最佳條件。
3. pH
超聲波技術(shù)處理水中有機(jī)污染物主要依靠水中生成的自由基的作用，這樣原水的pH會對反應(yīng)產(chǎn)生一定的影響作用。由于超聲降解發(fā)生在空化泡內(nèi)或空化泡的氣液界面處，所以溶液的pH調(diào)節(jié)應(yīng)盡量有利于有機(jī)物以中性分子的形態(tài)存在并易于揮發(fā)進(jìn)入氣泡核內(nèi)部。Chemat等用超聲波處理天然水中的腐殖酸表明，在pH為3時效果最好，隨著pH的升高，腐殖酸降解效率有所降低，這是因為酸性條件，腐殖酸更容易接近氣泡核。而對于堿性污染物，如苯胺則在堿性條件下比較易于處理。所以最佳pH的確定還需要考慮超聲波降解機(jī)理和有機(jī)污染物本身的酸堿性。同時，由于超聲波的作用能產(chǎn)生中間產(chǎn)物，原水pH在處理前后會發(fā)生變化，這也是超聲波處理水需要考慮的問題。Guo等人用超聲波對氯消毒后含有鹵代甲烷的水進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在195 W/cm2的超聲波作用1 h后原水pH從
7.13變?yōu)?.69。
4. 外加強(qiáng)化物質(zhì)
為了提高超聲波的效率，通常反應(yīng)中會通入氣體(如空氣或氧氣)，加入環(huán)境友好的鐵粉或金屬離子。由于超聲波的空化作用，使得加入的氣體在水中產(chǎn)生活性物質(zhì)，從而增強(qiáng)對有機(jī)物的處理效果。Christian證實水中飽和的氧氣在空化泡周圍被激發(fā)，在水中產(chǎn)生大量的自由基:
O2→2O•(1)
O•+H2O→2•OH (2)
Nagata等就外加空氣和氬氣對超聲波技術(shù)處理2-，3-，4-及五氯苯酚進(jìn)行研究。結(jié)果表明對低濃度的氯代苯酚在氬氣的條件下更容易降解，這是由于單原子氣體具有較高的絕熱指數(shù)，從而影響空化氣泡的生成。Dai等就單獨超聲波技術(shù)、超聲波與鐵粉協(xié)同技術(shù)、超聲波與二價鐵協(xié)同技術(shù)對水中五氯苯酚的去除進(jìn)行研究。研究表明協(xié)同作用在PCP的降解和•OH自由基生成兩方面都有加強(qiáng)作用，空化作用增加了鐵粉顆粒的表面積，同時提高了鐵粉表面的吸附能力。Kim等就外加離子對超聲波處理腐殖酸進(jìn)行研究，F(xiàn)e(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)有較好的催化效果，而Al(Ⅲ)、Ca(Ⅱ)和Mg(Ⅱ)對反應(yīng)有抑制作用。
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