超聲波處理高濃度有機廢水
來源：張家港(gang)市港(gang)威科凈電子有限(xian)公司 閱讀：5025 更新時間：2015-03-29 11:39高(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)有(you)(you)機(ji)廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)主要(yao)分布(bu)在化(hua)工(gong)(gong)(gong)(gong)、冶(ye)金(jin)、煉焦、輕工(gong)(gong)(gong)(gong)、食(shi)品(pin)等行(xing)業(ye)(ye)，對(dui)環境造成了嚴(yan)重的(de)(de)污染(ran)。按其性質(zhi)和(he)來源大(da)體(ti)可分為三大(da)類(lei)(lei)：（1）易于(yu)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)降(jiang)解(jie)的(de)(de)高(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)有(you)(you)機(ji)廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)，一般來自以(yi)農牧業(ye)(ye)產品(pin)為原(yuan)料的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)業(ye)(ye)廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)，如(ru)食(shi)品(pin)工(gong)(gong)(gong)(gong)業(ye)(ye)廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)；（2）高(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)有(you)(you)機(ji)廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)中的(de)(de)有(you)(you)機(ji)物(wu)(wu)(wu)(wu)是可以(yi)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)降(jiang)解(jie)的(de)(de)，但廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)中含有(you)(you)其他有(you)(you)害(hai)物(wu)(wu)(wu)(wu)質(zhi)，廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)主要(yao)來自制藥(yao)工(gong)(gong)(gong)(gong)業(ye)(ye)和(he)部分化(hua)工(gong)(gong)(gong)(gong)行(xing)業(ye)(ye)；（3）難于(yu)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)降(jiang)解(jie)和(he)含有(you)(you)有(you)(you)害(hai)物(wu)(wu)(wu)(wu)質(zhi)的(de)(de)高(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)有(you)(you)機(ji)廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)，主要(yao)來自合成化(hua)學行(xing)業(ye)(ye)，如(ru)染(ran)料工(gong)(gong)(gong)(gong)業(ye)(ye)、農藥(yao)工(gong)(gong)(gong)(gong)業(ye)(ye)等。對(dui)于(yu)后兩類(lei)(lei)廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)方法通常無法達(da)(da)到處(chu)(chu)理(li)要(yao)求，而采用(yong)(yong)物(wu)(wu)(wu)(wu)理(li)化(hua)學方法處(chu)(chu)理(li)高(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)有(you)(you)機(ji)廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)，成本很高(gao)，每噸水(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)費用(yong)(yong)達(da)(da)到數(shu)十(shi)元，高(gao)昂的(de)(de)處(chu)(chu)理(li)費用(yong)(yong)使得大(da)量高(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)難降(jiang)解(jie)有(you)(you)機(ji)廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)得不到有(you)(you)效處(chu)(chu)理(li)而排放(fang)，所以(yi)研究高(gao)濃(nong)(nong)(nong)(nong)度(du)(du)有(you)(you)機(ji)廢(fei)(fei)(fei)水(shui)(shui)的(de)(de)治理(li)，完善其治理(li)技術，是十(shi)分迫切的(de)(de)任務(wu)。
很(hen)多研(yan)究表(biao)明，生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)降(jiang)解(jie)(jie)過(guo)程(cheng)中存在(zai)(zai)真一些(xie)具有(you)共同特性的(de)(de)關鍵(jian)步(bu)驟，一般是跨越膜的(de)(de)傳(chuan)質過(guo)程(cheng)和圍繞關鍵(jian)酶的(de)(de)反(fan)應(ying)(ying)過(guo)程(cheng)，因此(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)降(jiang)解(jie)(jie)活性可能是其(qi)(qi)親(qin)脂性與(yu)電(dian)子(zi)效(xiao)應(ying)(ying)的(de)(de)加和，以(yi)及(ji)其(qi)(qi)他次要因素（如(ru)立體效(xiao)應(ying)(ying)等）的(de)(de)綜合(he)反(fan)應(ying)(ying)。難(nan)以(yi)降(jiang)解(jie)(jie)物(wu)質之所以(yi)在(zai)(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)化(hua)(hua)過(guo)程(cheng)中分解(jie)(jie)速(su)率(lv)緩慢(man)，是因為(wei)某些(xie)功(gong)能團(tuan)(tuan)難(nan)以(yi)為(wei)微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)打(da)(da)開，從而成(cheng)為(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)化(hua)(hua)反(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)限(xian)制(zhi)步(bu)驟。如(ru)果能在(zai)(zai)預處理中破壞這些(xie)功(gong)能團(tuan)(tuan)，打(da)(da)開其(qi)(qi)化(hua)(hua)合(he)鍵(jian)，或者在(zai)(zai)芳香(xiang)環(huan)中引入羥基而改(gai)變(bian)其(qi)(qi)結構，就可以(yi)打(da)(da)破這些(xie)官能團(tuan)(tuan)對生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)降(jiang)解(jie)(jie)的(de)(de)限(xian)制(zhi)作(zuo)用，極大地(di)提高生(sheng)(sheng)(sheng)化(hua)(hua)反(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)速(su)率(lv)，超聲波處理可以(yi)快速(su)有(you)效(xiao)地(di)做到這一點。
利用(yong)超(chao)聲波(bo)降(jiang)解水中(zhong)的(de)(de)(de)(de)化(hua)(hua)學污染物(wu)(wu)，尤其是難(nan)降(jiang)解的(de)(de)(de)(de)有機污染物(wu)(wu)，是近年來(lai)發展(zhan)的(de)(de)(de)(de)一項新型(xing)水處(chu)理(li)技(ji)術(shu)。它集高級(ji)氧(yang)化(hua)(hua)技(ji)術(shu)、焚燒、超(chao)臨(lin)界(jie)水氧(yang)化(hua)(hua)等(deng)(deng)多(duo)種(zhong)水處(chu)理(li)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)特點與一身(shen)，具(ju)有反應條(tiao)件溫和、速(su)度(du)快、適用(yong)范圍廣(guang)等(deng)(deng)特點，可以(yi)單獨使(shi)用(yong)或與其他技(ji)術(shu)聯合使(shi)用(yong)，具(ju)有很大的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)潛力。超(chao)聲波(bo)能在水中(zhong)引起空化(hua)(hua)效(xiao)應，產生(sheng)約4000K和100Mpa的(de)(de)(de)(de)瞬間局部高溫高壓環境（熱點），同時以(yi)約110m/s的(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)產生(sheng)具(ju)有強(qiang)(qiang)烈(lie)沖(chong)擊力的(de)(de)(de)(de)微射(she)流的(de)(de)(de)(de)沖(chong)擊波(bo)。水分子(zi)在熱點達到超(chao)臨(lin)界(jie)狀態，并(bing)分解成羥(qian)基自(zi)由基、超(chao)氧(yang)基等(deng)(deng)，其中(zhong)，羥(qian)基自(zi)由基是目前所發現的(de)(de)(de)(de)最強(qiang)(qiang)的(de)(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)劑。有機物(wu)(wu)在熱點發生(sheng)化(hua)(hua)學鍵(jian)斷裂、水相燃燒、高溫分解、超(chao)臨(lin)界(jie)水氧(yang)化(hua)(hua)、自(zi)由基氧(yang)化(hua)(hua)等(deng)(deng)反應，這些效(xiao)應加上聲場(chang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)質點振動、次(ci)級(ji)衍生(sheng)波(bo)等(deng)(deng)為有機物(wu)(wu)降(jiang)解提供了其他方法難(nan)以(yi)達到的(de)(de)(de)(de)多(duo)種(zhong)途徑。
1、 超(chao)聲降解有機物的動力(li)學研究(jiu)
有機物(wu)的(de)超聲(sheng)降(jiang)解過程遵(zun)循表(biao)現一(yi)(yi)級(ji)反(fan)應(ying)動(dong)力學規律。瞬(shun)間(jian)空(kong)化(hua)泡(pao)(pao)(pao)崩潰時(shi)釋(shi)放出的(de)巨大能量是引(yin)起聲(sheng)化(hua)學反(fan)應(ying)的(de)主動(dong)力，伴(ban)隨空(kong)化(hua)泡(pao)(pao)(pao)崩潰所產生的(de)機械效應(ying)與化(hua)學效應(ying)反(fan)應(ying)在三個(ge)不同的(de)空(kong)間(jian)內，即空(kong)化(hua)泡(pao)(pao)(pao)內部，此時(shi)空(kong)化(hua)泡(pao)(pao)(pao)本身(shen)猶如一(yi)(yi)個(ge)高(gao)溫高(gao)壓反(fan)應(ying)器；緊靠空(kong)化(hua)泡(pao)(pao)(pao)壁的(de)氣（汽）液(ye)交(jiao)界面；離交(jiao)界面更遠(yuan)一(yi)(yi)些的(de)區域及主體溶液(ye)相，有機物(wu)將受到沖擊波及隨沖擊波擴(kuo)散(san)而(er)來的(de)活性自由基作用。
2、超聲降解高(gao)濃度有機廢(fei)水的影響因素
（1）、超聲波功率
在超(chao)聲(sheng)(sheng)波作用下(xia)，有(you)機物的降解通常遵(zun)守一級動力學反(fan)(fan)應。超(chao)聲(sheng)(sheng)降解反(fan)(fan)應速率一般(ban)隨聲(sheng)(sheng)強的增(zeng)大(da)而(er)增(zeng)加，但強度過高(gao)會適得(de)其(qi)反(fan)(fan)。因(yin)為聲(sheng)(sheng)能太大(da)，空化泡會在聲(sheng)(sheng)波的負壓相長得(de)很(hen)大(da)而(er)形成屏障，使系(xi)統可利(li)用的聲(sheng)(sheng)能反(fan)(fan)而(er)降低，降解速率因(yin)此(ci)下(xia)降。
（2）、超聲波頻率
研究表明(ming)，高(gao)(gao)頻(pin)(pin)超聲波(bo)有助于(yu)(yu)提高(gao)(gao)超聲降解(jie)速率(lv)，這(zhe)是(shi)由于(yu)(yu)羥基自由基的(de)產率(lv)隨(sui)著聲頻(pin)(pin)率(lv)的(de)增加而增加。事(shi)實上(shang)，在超聲降解(jie)過程(cheng)中，超聲強度和頻(pin)(pin)率(lv)之間(jian)有一個最(zui)佳匹(pi)配，而且頻(pin)(pin)率(lv)的(de)選擇與被降解(jie)有機物的(de)結構、性質以及降解(jie)歷程(cheng)有關，并不是(shi)所有情(qing)況(kuang)下高(gao)(gao)頻(pin)(pin)超聲波(bo)有利于(yu)(yu)降解(jie)。
（3）、廢水中的溶(rong)解氣體
溶(rong)解(jie)(jie)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)對超聲降解(jie)(jie)速率(lv)和降解(jie)(jie)程度(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)主要有兩方(fang)面的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)因：一是(shi)溶(rong)解(jie)(jie)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)對空(kong)(kong)化泡的(de)(de)(de)性質和空(kong)(kong)化強度(du)(du)有重要的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)；另外溶(rong)解(jie)(jie)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)如(ru)N2、O2產生(sheng)的(de)(de)(de)自由基也(ye)參與(yu)降解(jie)(jie)反應過(guo)程，因此(ci)，影(ying)(ying)響(xiang)反應機(ji)理和降解(jie)(jie)反應的(de)(de)(de)熱力(li)(li)學和動力(li)(li)學行為。超聲空(kong)(kong)化產生(sheng)的(de)(de)(de)最(zui)高(gao)溫(wen)度(du)(du)和壓力(li)(li)總是(shi)隨著絕(jue)熱指數r增(zeng)大(da)而升高(gao)。對單(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)，r=1.666，而多原(yuan)(yuan)子(zi)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)（如(ru)泡腔內的(de)(de)(de)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)(qi)、水蒸(zheng)(zheng)氣(qi)(qi)(qi)或有機(ji)物蒸(zheng)(zheng)氣(qi)(qi)(qi)）的(de)(de)(de)絕(jue)熱指數總是(shi)小于單(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)，例如(ru)，從(cong)飽和的(de)(de)(de)水溶(rong)液r=1.33。可見，在超聲降解(jie)(jie)過(guo)程中，使用單(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)稀有氣(qi)(qi)(qi)體(ti)總能提(ti)高(gao)降解(jie)(jie)的(de)(de)(de)速率(lv)和程度(du)(du)。
（4）、廢水的(de)性質(zhi)
液(ye)(ye)體的(de)(de)性質(zhi)如(ru)溶(rong)液(ye)(ye)黏(nian)(nian)度、表面張(zhang)力(li)(li)、PH以及(ji)鹽效應都會影響(xiang)溶(rong)液(ye)(ye)的(de)(de)超(chao)聲(sheng)(sheng)空化(hua)效果。溶(rong)液(ye)(ye)黏(nian)(nian)性對空化(hua)效應的(de)(de)影響(xiang)主要(yao)表現(xian)在兩個方面：一(yi)方面它能影響(xiang)空化(hua)閥值(zhi)，另一(yi)方面它能吸收聲(sheng)(sheng)能。當(dang)然(ran)溶(rong)液(ye)(ye)黏(nian)(nian)度增加(jia)時(shi)，聲(sheng)(sheng)能在溶(rong)液(ye)(ye)中的(de)(de)黏(nian)(nian)滯(zhi)損(sun)耗和(he)聲(sheng)(sheng)能衰減加(jia)劇，輻射溶(rong)液(ye)(ye)中的(de)(de)有(you)效聲(sheng)(sheng)能減少，致(zhi)使空化(hua)閥值(zhi)顯著(zhu)提(ti)高，溶(rong)液(ye)(ye)發生(sheng)空化(hua)現(xian)象(xiang)變(bian)得困(kun)難(nan)，空化(hua)強度減弱，因(yin)此，黏(nian)(nian)度不太高有(you)利于超(chao)聲(sheng)(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)解。隨著(zhu)表面張(zhang)力(li)(li)的(de)(de)增加(jia)，空化(hua)核生(sheng)成困(kun)難(nan)，但(dan)是空化(hua)氣泡(pao)崩(beng)潰時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)(de)極限溫(wen)度和(he)壓力(li)(li)升高，有(you)利于超(chao)聲(sheng)(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)解。當(dang)溶(rong)液(ye)(ye)中有(you)少量的(de)(de)表面活性劑時(shi)，溶(rong)液(ye)(ye)的(de)(de)表面張(zhang)力(li)(li)迅速下(xia)降(jiang)(jiang)(jiang)，在超(chao)聲(sheng)(sheng)波作用下(xia)有(you)大量泡(pao)沫產(chan)生(sheng)，但(dan)空化(hua)泡(pao)崩(beng)潰時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)(de)威(wei)力(li)(li)很小，因(yin)此不利于超(chao)聲(sheng)(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)解。
（5）、反應(ying)溫(wen)度(du)
溫度對(dui)(dui)超聲(sheng)空(kong)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)強度和動(dong)力(li)學過程具有非常重要的(de)(de)影響，從而造成超聲(sheng)降(jiang)(jiang)解的(de)(de)速率(lv)和過程的(de)(de)變化(hua)(hua)(hua)。溫度升高會導致(zhi)氣體(ti)溶解度減小(xiao)，表面(mian)張力(li)降(jiang)(jiang)低(di)，飽和蒸氣壓增大，這些變化(hua)(hua)(hua)對(dui)(dui)超聲(sheng)空(kong)化(hua)(hua)(hua)是不利的(de)(de)。一般生化(hua)(hua)(hua)學效率(lv)隨(sui)溫度的(de)(de)升高呈指數(shu)下降(jiang)(jiang)，因此，聲(sheng)化(hua)(hua)(hua)學過程在低(di)溫（20℃）進行較(jiao)為有利，超聲(sheng)降(jiang)(jiang)解一般都在室溫下進行。
