聲化學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科,主要是指利用超聲波來加速化學(xué)反應(yīng),提高化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率。聲化學(xué)反應(yīng)是通過聲空化過程實(shí)現(xiàn)的。聲空化把聲場(chǎng)能量集中起來,然后伴隨空化泡崩潰而在極小的空間內(nèi)將其釋放出來,使之在正常溫度與壓力的液體環(huán)境中產(chǎn)生異乎尋常的高溫(高于5000 K)和高壓(高于5×107 Pa),形成“熱點(diǎn)”(Hotspot),從而開辟化學(xué)反應(yīng)通道,增大化學(xué)反應(yīng)速率。

        利用超聲技術(shù)降解水中的化學(xué)污染物,尤其是難降解的有機(jī)污染物是近幾年來發(fā)展起來的新型水處理技術(shù)〔1~4〕。它具有去除效率高、反應(yīng)時(shí)間短、設(shè)施簡單、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。近年來,超聲技術(shù)在處理微污染水、高濃度難降解的有機(jī)廢水、污泥以及飲用水殺菌、消毒和工業(yè)廢水的阻垢、除垢等方面的研究,已取得了較大的成果。

1 用于水處理的幾種聲化學(xué)反應(yīng)器

1.1 超聲清洗槽式反應(yīng)器
 

        普通的超聲波清洗器一般是將一組并聯(lián)的壓電換能器置于清洗槽底部,槽內(nèi)注入水等耦合液,然后將反應(yīng)容器置于耦合液中(如圖1)。這類反應(yīng)器具有價(jià)廉易得、操作簡單方便等優(yōu)點(diǎn),目前實(shí)驗(yàn)室中大部分的聲化學(xué)反應(yīng)都是用它來進(jìn)行的。圖1清洗槽式反應(yīng)器超聲清洗器雖被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室的聲化學(xué)研究,但在工業(yè)應(yīng)用上有一些缺點(diǎn):(1)反應(yīng)容器與耦合液之間的聲阻抗差別很大,聲波反射極為嚴(yán)重;(2)清洗槽內(nèi)的聲強(qiáng)較小,一般不超過5 W/cm2;(3)由于商品化的超聲清洗器的頻率都不準(zhǔn)確,且其效率與反應(yīng)容器的形狀以及反應(yīng)容器置于耦合液中的深度有關(guān),因而試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性比較差;(4)反應(yīng)過程中耦合液會(huì)因吸收超聲波的聲能而溫度升高,因而不易控制反應(yīng)溫度。

1.2變幅桿式聲化學(xué)反應(yīng)器
 

        這是一種很有效的聲化學(xué)反應(yīng)器,超聲探頭能使能量集中,在超聲輻射端面上可以獲得數(shù)百W/cm²的聲強(qiáng)(如圖2)。這種反應(yīng)器有以下優(yōu)點(diǎn):由于變幅桿的聚能作用,聲能密度大大提高;能根據(jù)聲能密度的大小精確設(shè)計(jì)反應(yīng)器;探頭的發(fā)射端面一般設(shè)計(jì)為可拆卸式,這樣就可以根據(jù)所需聲強(qiáng)隨時(shí)選用端面大小合適的探頭,同時(shí),當(dāng)探頭被空化嚴(yán)重腐蝕后,只需更換端部,而不必更換價(jià)格昂貴的整個(gè)探頭。

1.3平行板近場(chǎng)聲處理器
 

        平行板近場(chǎng)聲處理器(NAP)是美國Lewis公司開發(fā)的。該系統(tǒng)由一個(gè)矩形空間構(gòu)成,矩形空間上下兩塊平行金屬板上都鑲嵌有換能器,分別產(chǎn)生頻率各自為20 kHz和16 kHz的超聲波。矩形空間內(nèi)的超聲聲強(qiáng)是單一金屬板發(fā)射的超聲聲強(qiáng)的兩倍以上,被處理液體從矩形空間的一端流入,另一端流出,當(dāng)液體流經(jīng)上下兩塊金屬板構(gòu)成的區(qū)域時(shí),即會(huì)受到超聲波的輻射。圖3為NAP系統(tǒng)處理裝置。1998年,G.Thoma用該裝置處理含苯和甲苯的廢水,處理液體積為22L,流量為3～10mL/min,整個(gè)處理過程中以O(shè)₂曝氣。試驗(yàn)結(jié)果表明,初始質(zhì)量濃度為4～8mg/L的苯和甲苯廢水經(jīng)聲強(qiáng)為0.65～3.6W/cm²的NAP系統(tǒng)處理后,兩者的降解均呈一級(jí)反應(yīng),反應(yīng)速率常數(shù)為0.0027～0.0370min^-1。

2 超聲技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

2.1 用于處理微污染原水

        隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人口的增加,加之缺乏環(huán)境保護(hù)意識(shí),大量含有各種有毒有害物質(zhì)的工業(yè)廢水和生活污水未經(jīng)處理或稍加處理就排入水體,造成水體污染,從而使大多數(shù)飲用水源成為微污染水源。對(duì)微污染原水進(jìn)行深度處理從而進(jìn)一步改善供水水質(zhì)是許多水廠面臨的難題之一,現(xiàn)行的深度處理方法如活性炭、膜法、臭氧—活性炭聯(lián)用技術(shù)都存在著一定的問題。

        近年來,超聲技術(shù)用于處理微污染原水的研究已展開。程愛華等用腐殖酸、Fe³⁺離子、SiO₂、陰離子洗滌劑、苯酚等配成一定濃度的模擬微污染水,在不同的反應(yīng)容器(燒杯、圓盤、圓桶)中用頻率為20～24 kHz,功率500 W的超聲波處理一段時(shí)間,結(jié)果表明,超聲波對(duì)微污染水的色度、濁度、有機(jī)污染物均具有一定的去除作用,對(duì)降解色度、有機(jī)物來說,圓桶中實(shí)驗(yàn)效果最好,圓盤中實(shí)驗(yàn)效果次之,燒杯實(shí)驗(yàn)效果最差;對(duì)去濁而言,燒杯實(shí)驗(yàn)效果最好,圓桶中實(shí)驗(yàn)效果次之,托盤實(shí)驗(yàn)效果最差。劉紅等將超聲波用于強(qiáng)化微污染水的生物處理,結(jié)果表明,通過一定強(qiáng)度的超聲波處理后,膜生物反應(yīng)器的生物活性得到增強(qiáng),反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷增加,有機(jī)物凈化效率提高。超聲處理促進(jìn)了生物活性,且功率為10 W的超聲波促進(jìn)生物活性的效果最為明顯。

2.2 用于處理高濃度難降解有機(jī)廢水

        超聲技術(shù)可用于處理各種難降解的有機(jī)廢水,目前已用于含單環(huán)芳香族化合物、多環(huán)芳烴、酚類、氯化烴、氯代烴、有機(jī)酸、染料、醇類、酮類等廢水處理的研究,并取得良好的效果。在實(shí)際的工業(yè)廢水中,超聲技術(shù)已用于處理造紙廢水、印染廢水、制革廢水、焦化廢水、制藥廢水、垃圾滲濾液等,并取得較好的效果;李志建等采用超聲與厭氧生化法相聯(lián)合處理工藝處理堿法草漿黑液,COD去除率可達(dá)57%～69%,比單純厭氧法提高約20%,且處理后污泥活性增加,綜合毒性降低;祁夢(mèng)蘭等用超聲處理染料廢水,發(fā)現(xiàn)廢水的可生化性提高,BOD₅/COD由0.22～0.28上升到0.44～0.51;李國英等用聲強(qiáng)為1.47W/cm²、頻率為24kHz的超聲波強(qiáng)化混凝沉淀處理制革廢水,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:先施加超聲波60s,再投加混凝劑,COD去除率最高可達(dá)73.2%,比不用超聲波時(shí)提高10%以上,表明超聲波對(duì)混凝沉淀法處理制革廢水有明顯的強(qiáng)化作用;張子間用超聲波—SBR法處理焦化廢水,在聲強(qiáng)為9.21 W/cm²,處理時(shí)間為2.5 min時(shí),廢水的BOD₅/COD由2.0提高到4.5;胡學(xué)偉用頻率18 kHz、聲強(qiáng)0.110 W/cm2的超聲波處理垃圾滲濾液,結(jié)果表明,在pH 7、溫度為55℃、處理時(shí)間為240min的條件下,滲濾液的COD由37050 mg/L降低到14140 mg/L,COD去除率達(dá)61.96%。

2.3 用于城市污泥的處理

　　超聲波在污泥處理中主要用于污泥脫水和促進(jìn)厭氧發(fā)酵兩個(gè)方面。超聲波脫水常見工藝為城市污泥→重力沉降→超聲波處理→機(jī)械脫水。污泥菌膠團(tuán)內(nèi)部包含水約占污泥總水量的27%,而菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,難以被機(jī)械作用(壓濾、離心等)破壞,造成污泥脫水困難。超聲波能有效的破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu),將其內(nèi)部包含水釋放出來,成為可以比較容易去除的自由水。A.Teihm等研究表明用31 kHz、聲能密度0.11W/cm3的超聲波處理可以有效打破菌膠團(tuán),處理30 s后污泥平均尺寸從165μm下降到135μm,處理96 s后下降到85μm。同時(shí)發(fā)現(xiàn)污泥菌膠團(tuán)的解構(gòu)效率隨超聲波頻率的升高而降低,最佳分解頻率為41 kHz。超聲波破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)后,大量被挾裹在菌膠團(tuán)內(nèi)的有機(jī)物被釋放到水中,從而易于為微生物所用。Y.Chiu等發(fā)現(xiàn),頻率20 kHz、聲能密度0.12 W/cm3的超聲波處理4 h將污泥中可溶性COD占總COD的比值(SCOD/TCOD)從36%提高到89%,可溶性N的比值從34%提高到42%,基本取代了污泥水解過程,從而極大的縮短污泥厭氧發(fā)酵時(shí)間并提高了污泥可生化性。U.Neis等研究表明用頻率41 kHz、聲能密度0.10W/cm³的超聲波處理30～120min,可以使污泥厭氧發(fā)酵時(shí)間從22d降到8 d,比容積消化速率從437 g/(m³•d)上升到1166g/(m³•d)。

2.4 其他應(yīng)用

        超聲技術(shù)還可以用于飲用水殺菌、消毒、阻垢、去除水垢等。林衛(wèi)紅對(duì)超聲滅菌進(jìn)行了研究,指出當(dāng)頻率為200 kHz、聲強(qiáng)為2 W/cm2時(shí),效果最佳,并且超聲滅菌效果與原水中的細(xì)菌濃度無關(guān)。劉天慶利用超聲—臭氧技術(shù)處理循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的生物垢,發(fā)現(xiàn)用頻率為20 kHz、振幅為20%的超聲處理,可有效地控制生物垢的生長,該技術(shù)還可以移除90%以上已形成的生物垢。

3 結(jié)語

        目前超聲技術(shù)在水處理上的研究已取得了較大的成果,但絕大部分的研究都還局限于實(shí)驗(yàn)室水平上。要使超聲技術(shù)走向工業(yè)化應(yīng)用,還需加強(qiáng)以下幾方面的研究:

        (1)進(jìn)一步研究各參數(shù)對(duì)降解效果的影響,尋求最佳參數(shù)值。

        (2)研究考察兩種及兩種以上不同頻率的超聲波同時(shí)作用時(shí)對(duì)降解效果的影響。

        (3)研究超聲與其他氧化工藝的協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)單元技術(shù)的優(yōu)化組合,使其從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上更為可行。

        (4)加大對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究,研制開發(fā)高效的、能夠大批量處理和連續(xù)運(yùn)行的超聲波反應(yīng)器。
 

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