聲化學氧化技術聲化學技術概述超聲降解機理影響因素其他工藝聯用存在問題1.概述聲化學是指利用超聲波（ultrosound，縮寫US）加速化學反應或啟動新的反應通道，以提高化學反應產率或獲得新的化學反應產物。1.1聲化學技術的應用應用領域廣

高鹽份廢水的凈化高表面活性廢水的凈化揮發性污染物的凈化染料廢水的脫色難生化廢水的預處理生物炭的再生污泥脫水

……1.2有關超聲波的基本知識超聲波是頻率在20KHz以上,由一系列疏密相間的縱波構成。20

超聲波向周圍介質傳播時，產生一種疏密的波形。

連續的壓縮層和稀疏層交替形成的彈性波和聲源振蕩的方向一致，是一種彈性縱波

1.2.1超聲波的傳播速度

與介質有關與頻率無關隨介質溫度的上升而加快，氣溫增高1℃，聲速增加0.6米/秒

幾種物質的聲速、密度和聲阻

名稱聲速米/秒密度克/cm3聲阻克105/厘米2秒空氣3400.001290.00043水15001.0009鈦酸鋇50005.41.500石蠟油14200.83527.000鋁64002.71.186人體軟組織15001.0617.281.2.2超聲波的聲場

介質受到超聲振動能作用的區域叫超聲聲場1.2.3聲壓聲壓，即聲能的壓力，代表超聲波的強度。超聲傳播時在稠密區產生正壓，在稀疏區產生負壓。1.2.4聲強(超聲功率強度)

為單位時間內聲能的強度，即在每秒內垂直通過每平方厘米面積的聲能。W/cm2超聲波在介質中傳播時，巨大能量使介質質點產生很大的加速度一般中等強度的聲波通過水時，水分子獲得的加速度只有重力加速度（約為9.8m/s）的百分之幾如在頻率為800～1000KHz、聲強為0.5～2W/cm2的超聲波作用下，水分子得到的加速度可以超過重力加速度5～10萬倍。2.超聲波降解機理超聲空化熱點理論自由基理論降解過程2.1超聲空化當超聲波輻照液體時，會使液相分子間的吸引力在疏松的半周期內打破，形成空化泡，這一過程叫做超聲空化。空化分為瞬時空化和穩態空化。聲化學上利用的空化多為瞬時空化.

在較大的聲強(>10W/cm2）作用下，產生在一個聲波周期內的空化，在聲波負壓相中，空化泡迅速擴大，在正壓相中，被迅速壓縮至崩潰。2.2熱點理論氣泡快速崩潰時，產生瞬時的局部高溫高壓，即形成所謂的“熱點”。Nolfingk和Neppiras估計的高溫高壓為：1000K，1.01X109PaSuslick估計的高溫高壓為：5500攝氏度，50662—101325kPa伴有強大的沖擊波(均相)和時速400km的射流(非均相).2.3自由基理論在空化氣泡內,溫度和壓力很大,溶劑和環境氣體裂解成原子或自由基水轉化為ＯＨ·

、H·、氧原子２.４降解過程空化泡內:存在高溫,高壓,自由基,可能發生直接熱解和自由基反應常溫常壓的水體溶液:存在大量擴散的自由基和氧化劑,能發生氧化反應.氣液界面處:有局部的高溫和濃縮的自由基,仍可能發生熱解和自由基反應;同時,高溫高壓的過渡區,可能存在瞬態超臨界水,發生超臨界氧化空化泡內,氣液界面,水體溶液超臨界水當溫度和壓力分別超過水分子的臨界溫度374攝氏度和臨界壓力2.20*107Pa時,水分子處于一種超臨界狀態.水的物化性質:粘度,電導,離子活度,溶度積,密度和熱容。在臨界區發生突變,具有低的價電常數,高的擴散性,快的傳輸能力和良好的溶劑化特性,與非極性物質互溶.一種理想的反應介質,有利于多數反應速率的提高.降解的主要途徑:

自由基氧化,高溫熱解,超臨界水氧化,機械效應.疏水性有機污染物(主要是脂肪烴,鹵代脂肪烴,鹵代烴,氯氟代烴),易揮發,在空化泡形成過程中進入氣泡內,氣泡壓縮崩潰時,高溫高壓使其熱解.親水性有機污染物(酚類,單環芳香族化合物,多氯聯苯),在水環境,由擴散的自由基氧化降解.影響因素超聲波的參數超聲頻率超聲功率和聲強聲能密度反應器結構水中的參數溶解氣體界面特性溫度pH值3.1超聲波參數的影響3.1.1超聲頻率（超聲頻率效應與有機物的超聲降解機理有關）親水性難揮發：頻率，空化核半徑，更多自由基逸出，有利。頻率太高，核內能量太少，自由基太少，不利。

————存在一個優化值憎水性易揮發：頻率，聲周期縮短，空化泡數目增加，效率增強。

Petrier等研究了20KHz，200KHz，500KHz，800KHz下，超聲降解水體中苯酚和CCl4。

結果：1.200Hz下，苯酚降解效果最好；

2.CCl4降解速度隨頻率升高而增大，但

效果不明顯。

3.在任何頻率下CCl4的降解速度都比苯

酚大。3.1.2聲強的影響當聲強＞空化閾，才能產生空化效應行波場中空化閾=0.7W/cm2混響場中空化閾=0.3W/cm2降解速率一般隨聲強的增大而增大，基本呈線性關系。3.1.3聲能密度的影響聲能密度（W/cm3）：單位體積溶液被施加的超聲能量。一般來說，降解速度隨聲能密度增加而增大。研究不多，研究范圍0.1-10W/cm33.1.4反應器結構的影響反應器結構的影響反應器設計的目的就是在恒定功率條件下，盡可能提高混響場強度，增強空化效果。改變波源位置和頻率來增強反應器功能。雙頻超聲比單頻超聲空化效果好平行比垂直效果好聚焦和反射手段，提高了聲能的利用率3.2.1溶解氣體的影響被氣體飽和的水在超聲作用下，其空化閾小于脫除氣體的水。空化泡崩潰時產生高溫引起的化學反應與溶液中所溶解氣體的性質有關。3.2水中的參數氣體比熱比越大，tmax越大，空化強度越強氣體溶解度越強，越容易壓入液相，產生更多的空化核。Ar的比熱比大

Ar引入空化泡可減小HO.和H.結合成水的機會20kHz時，碘化鉀的轉化率3.2.2溫度的影響溫度升高,水的表面張力和粘滯系數下降,蒸汽壓升高,從而空化閾下降,空化泡容易產生隨著溫度升高,蒸汽壓升高,且蒸汽壓比溫度升高快得多,這樣空化泡崩潰產生的瞬時高溫和高壓均降低,空化強度減弱.溫度存在最佳值3.2.3pH值的影響有機物在水中存在的形式,分布系數發生改變,導致降解機理的改變.堿性條件下，有機物以鹽的形式存在,則水溶性增加,揮發度降低,空度化泡內和氣液界面處有機物濃度降低Lin等人用超聲波-H2O2技術降解2-氯酚時發現,pH為3時的氧化速率是pH=11時的6.6倍pH對疏水性的易揮發的氯乙苯影響較小,而對親水性的4-氯酚影響較大3.2.4共存離子的影響K+,Na+,Ba2+等不參加反應,但增加液體離子濃度,有利于有機物積壓到空化泡表面.Cl-,HCO3-,CO3２-為自由基捕獲劑,大大降低聲解速率Fe3+能與H2O2構成Fenton試劑,增強超聲氧化能力,有利3.2.5底物濃度和性質的影響親水性疏水性4與其他工藝的結合超聲與其他高級氧化法結合超聲/化學氧化還原法結合超聲/生物法超聲/物理法4.1超聲與高級氧化法結合超聲/臭氧法超聲/光化學法超聲/紫外/臭氧超聲/電解法4.1.1超聲/臭氧法4.1.2超聲/電解法物理效應,空化產生的射流能夠清洗電解質表面,加速液固傳質化學效應,泡內直接熱解,或自由基氧化4.2超聲與化學氧化還原法結合超聲與過氧化氫氧化法超聲/濕法氧化法超聲/元素鐵還原法4.3超聲/生