用超声波预处理焦化废水，过程中暴气，氩气有用过的吗，有没有合适的条件？

最好你自己看PDF，哪有清楚

超声波技术及其在水处理中的应用

龚安华罗亚田李端林

(武汉理工大学资源与环境工程学院,武汉,430070)

摘 要

本文综合了近几年的国外文献,讨论了超声波处理废水的机理、影响因素及应用领域,提出了

超声波在废水处理领域存在的一些问题。

关键词:超声波气穴自由基水处理应用

1 前言

由于生物处理对有些物质不能适用,这一传统

的水处理方法已经难以满足人们对于环境质量的严

格要求。于是一些新的水处理方法逐渐兴起,这些

方法有些是彻底地处理废水,有些是降低废水的毒

性以便进一步地生物处理。气穴技术就是其中之

一,它能够用来有效地破坏或者改变复杂化合物及

难以生物降解材料的结构。

超声波由于能产生气穴,从而能氧化分解传统方

法所不能处理的废水。这一特性使其在废水处理领域

有着广泛的应用前景。一般来说,产生气穴的方式有

四种:超声波、水力、粒子及光子。其中,利用超声波产

生气穴和基于这一原理的声化学反应器引起了人们的

广泛兴趣。自上个世纪60 年代声化学发展以来,用超

声波能量处理工业和生活污水得到了大量地应用。而

事实上,由于人们对降低有毒污染物的需求越来越来

高,超声波在水处理领域得到了不断地发展。许多研

究人员在实验室里利用超声波反应器完成了对用传统

的方法难以处理的物质[1] 。

2 超声波反应机理及影响因素

211 超声波反应机理

表1 不同化合物的降解[2 ]

反应物超声波化条件主要中间产物主要机理

苯酚20 、487kHz 、30W、空气、01 5mm 对苯二酚、萘酚、苯醌等自由基

22氯苯20kHz 、50W、空气、01 05mm 萘酚、32氯萘酚、氯化物自由基

32氯苯酚20kHz 、50W、空气、01 05mm 氯化对苯二酚、32氯萘酚、42氯萘酚自由基

42氯苯酚20kHz 、50W、空气、01 05mm 对苯二酚、氯化物自由基

2 ,42二氯苯酚氩气22氯苯酚、42氯苯酚、2 ,4 二氯苯酚自由基

硝基苯酚011mm 亚硝酸盐、硝酸盐、蚁酸等自由基和热解

氯苯20 、487kHz 、30W、空气、氩气,氧气、01 5mm 42氯苯、对苯二酚、乙炔自由基和热解

四氯化碳20 、500kHz、30W、空气、01 035mm 四氯乙烯、六氯甲烷热解

氯仿200kHz 、空气、氩气热解

超声波是指频率在2000Hz 以上的声波,它具

有声波的普遍特性。但是由于其频率高于一般声

波,因而就有一些特殊的性能。虽然超声波化学转

化的有关机理还不是很清楚,研究人员[2 ] 提出了以

下几种反应机理:热分解、羟基自由基氧化、等离子

化学和超临界氧化。热分解发生在气穴内部,主要

表现在当溶剂或待分解物渗透进入气泡后被分解。

事实上,往往在气泡里的能量不足以打断化学键,而

在水溶液中,主要的热分解反应是对水的分解。这

一热解反应导致了在气泡中产生了活性相对较高的

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自由基,这些自由基会在气泡里或者气泡周围重新

结合。否则,在这些自由基进入溶液以后可能与一

些大分子接触从而氧化它们。羟基自由基氧化与热

解之间的比率取决于溶质的位置,要看是在气泡里

或者是界面层,还是在溶液里。但是,归根到底取决

于物质的物理化学性质。表1[2 ] 是一些物质的情况

反映。

当然,仍然有一些参数还不是很清楚。研究人

员[2 ] 提出决定化合物进入气泡的性质不是其蒸汽压

而是其疏水性。因此,亲水的化合物如苯酚和氯酚

可能会在溶液中或者界面处受到羟基的攻击。其它

的一些疏水性化合物如四氯化碳、苯和氯苯可能主

要是在气泡中热解。但是,其它的情况也有可能影

响降解的位置,也有些情况是一些机理的互相竞争。

总之,疏水性化合物和挥发性化合物易于被超声波

降解,而不挥发和亲水性化合物超声波是难以降解

的。

另一种反应的机理是等离子化学。这与超声波

发光与光致发光之间的关系和光化学与声化学之间

的关系相似。这种等离子的效应是由于对超声波能

量的吸收,从而在气泡中形成为等离子体。

以上提到的假设可以归结为超临界水的声化学

反应。事实上许多的研究人员都发现[ 2 ] ,在气泡和

溶液的界面层存在着超过临界条件的高温高压

(647 K、2211MPa) ,这使得媒介有流体的物理性质。

这些条件可通过改变溶质的溶解度和分散度来改善

反应。但是,超临界水的界面自由基只有几毫秒的

寿命和几毫米的范围。

212 反应的影响因素

超声波反应中,分解化合物的性质是决定反应

进程的主要因素。而其它反应条件对反应进程也有

不同程度的影响,其主要体现在对反应常数的影响。

研究人员[3 ] 在分解芳香族化合物时发现底物的起始

浓度和超声波的能量强度对反应速率有着不同程度

的影响。随着底物浓度的增加反应速率降低。这是

因为由于浓度的升高,导致比热容的降低,而比热容

降低导致了降解速率的降低。而当底物主要是在气

泡中分解时,降解速率取决于气泡的数量。而随着

超声波密度的增加,气泡的数量也会增加,从而提高

了反应的速率。

在反应体系中加入媒介气体对反应的进程也有

不同程度的影响。研究人员[2 ] 在用超声波分解二硫

化碳时发现,在不同的气体媒介中,其反应的速率为

He > 空气> N2O > Ar 。其在He 的反应体系中

的速率是在Ar 中的3 倍。气体的影响因素主要是

体现在对声化气泡间撞击上。气体的许多性质都可

以影响声化反应,如比热容、热导率和溶解性。比热

容影响反应的效果表现在高比热容的单原子比低热

容的多原子能产生更高的温度和压力。而低热导率

的气体降低了气体撞击热能的传递,从而降低了撞

击的温度。气体的溶解度也是一个影响的因素。气

体的溶解度越大,它就越可能扩散到气穴中。这些

溶解的气体为气穴的形成提供核心。

当然还有一些其它的因素如时间、水中干扰物

质、催化剂( TiO2 ) [ 2 、4 ] 等。许多研究表明,无论哪种

因素的影响,超声波反应器的经济性不能忽视。

3 超声波在水处理中的应用

超声波由于其独特的特性,有着广泛的应用范

围。但一般说来,单一的超声波处理并不能达到满

意的处理效果。目前的研究主要集中在超声波与其

它处理方法的联合处理废水。

311 强化生物处理

利用超声波技术可以改善污泥的固2液界面、加

强气体的传质和营养物传递,从而强化生物处理。

O1 Schlafer[5 ] 研究人员利用低功率超声波处理酿酒

工业废水,生物反应器获得了较好的处理效果。在

实验中,超声波功率为013W/ L 、频率25kHz。经过

超声波处理后的生物絮体浓度由0112g/ L 增加为

014g/ L ,处理效率提高了50 %。

宁平等[6 ] 利用超声波辐射2活性污泥联合处理

焦化废水,研究表明,当选择空气作为曝气气体,向

废水中曝气而不用超声波时,废水中CODCr 降解率

仅为45 %;在声能强度为11914kW/ m2 条件下,用

超声波时其降解率可达65 %; 当把超声波辐射2活

性污泥联合处理焦化废水时,CODCr 的降解率提高

到81 %。同时发现经超声波预处理后的废水中无

亚硝酸氮,而且加活性污泥后,其耗氧速率有明显的

降低,说明经超声波处理后的焦化废水对生物无毒

性。

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312 处理造纸黑液

造纸黑液是由木质素与腐殖酸物质构成的色度

极暗、颜色很深的废液,对其进行处理一直是工业水

处理的难题之一。沈壮志[7 ] 等采用PFS/ H2 O2 与超

声波联合处理,通过对比发现,联合超声波处理后

CODCr的去除率提高了13 %左右、PFS 节约14 %、

H2O2节约50 ―80 %。周珊[ 8 ] 等利用超声波技术与

组合高级氧化技术对造纸黑液进行处理。研究发现

在超声波辐照下,可以将造纸废液中大分子有机污

染物部分分解为小分子有机物。在温度30 ℃、p H

为6 条件下,单独超声波辐照4h ,CODCr 去除率为

1715 %、TOC 去除率为1317 %。但在US2H2 O2

2

FeSO4 工艺下辐照4h ,由于活性自由基的产生,使废

液CODCr 去除率高达4719 %、TOC 去除率高达

4518 %。

313 超声波2物理能场分解有机物

在水处理中物理能场的应用比较广泛,将超声

波和其它物理能场(光场、电场、磁场) 相联合是水处

理中的研究方向之一。E1Naff rechoux[9 ] 等将超声

波与紫外光联合处理生活污水分解有机物,研究认

为,在分解有机物过程中存在三种作用: 紫外光分

解、超声波形成羟基自由基氧化分解、紫外光分解空

气产生臭氧氧化分解。付荣英[10 ] 等利用超声波和

紫外光协同作用氧化降解邻氯苯酚,研究表明,紫外

光和H2O2 体系对邻氯苯酚的降解率仅为43 %。而

联合超声波后,降解率可达83 %。这说明超声波与

紫外光产生了协同作用。

超声波与电场联合是一种新型的水处理技术。

刘静[ 11 ] 等利用超声波和电场处理印染废水,在初始

浓度为370mg/ L 、p H = 2 、电压为5V 的最佳条件下

作用60min ,印染废水的脱色率可达9616 %。研究

发现单独超声波对印染废水的降解能力较弱,而超

声波2电场协同作用下的脱色率远大于单一电场作

用。

4 结论

超声波在水处理领域的应用虽然已经得到了人

们广泛地认识,但是有许多问题仍然有待解决。

411 超声波反应的条件控制比较困难。不同的底

物由于其不同物理化学性质,其最佳的分解条件是

不同的,尤其是考虑其经济性时。分解不同的底物

时,为使其达到最佳的分解效果,必须对超声波的强

度、分解时间、催化剂等条件进行试验。

412 到目前为止,超声波技术还没有大规模运用到

实践中,许多的应用都是在实验室里完成。这些试

验都是针对某一类底物,模拟该物质的溶液进行处

理。超声波有待进一步在实践中的考验。

413 超声波大规模应用的问题主要在设备上,研制

出能够连续处理废水、低能耗、大容量的超声波反应

器是关键所在。

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