超声波水处理资料

. . 超声波水处理资料什么是超声波更新时间：08-3-7 14:03 一、什么是超声波 声波是属于声音的类别之一，属于机械波，声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率围为16Hz-20KHz。当声波的频率低于16KHz时就叫做次声波，高于20KHz则称为超声波声波。 超声波具有如下特性： 1） 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2） 超声波可传递很强的能量。 3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4） 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。二、什么是超声波水处理技术 声化学是一门新兴的交叉学科, 超声作用于水处理，是近年来声化学领域研究的新发展。超声化学作为一门边沿科学的兴起是近沿科学的兴起是近十几年的事情。超声作用于化学反应，主要来自超声空化现象，空化泡崩溃产生局部高温、高压和强烈的冲击波与射流，为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种新的非常特殊的物理化学环境。 超声波技术是指利用频率比人耳所能听到的频率围更高(即18 kHz)的声波作为对象的声化学方法，利用超声波来加速化学反应,提高化学反应产率。声化学反应是通过声空化过程实现的。声空化把声场能量集中起来,然后伴随空化泡崩溃而在极小的空间将其释放出来,使之在正常温度与压力的液体环境中产生异乎寻常的高温(高于5 000 K)和高压(高于5107 Pa),形成“热点”(Hotspot),从而开辟化学反应通道,增大化学反应速率。 自1883年Galton首次研究出人造超声波换能器以来,超声波技术被广泛地应用到检测、钻孔、清洗、乳化、化学处理等方面。其应用分为高频低强度和低频高强度两类:前者声功率围很宽,一般为数微瓦,主要应用于超声波测试;后者能量集中,声功率可以达到上千瓦,可使介质产生剧烈振动从而引起介质变形或发生化学变化。 当一定强度的超声波通过媒体时，会产生一系列的物理、化学效应。早在1929年就有超声波化学效应的报道，而将其应用于水处理领域只是近10年的事情，它主要用来加速降解水中难降解的有毒有机污染物，是一种高级催化氧化水处理技术。 英国Coventry大学的T. J. Mason和法国PualSabater大学的Luche先后于20世纪90年代开展了应用超声声化学降解水体中难降解有毒有机物的研究，并取得良好的效果。从而引起很多学者的兴趣。美国、日本、加拿大、德国、法国等国的一些大学实验室和研究所纷纷致力于超声降解有机物的研究。我国二十世纪九十年代后期，对超声降解有机物的研究。迄今为止，超声降解已进行了包括脂肪烃类、芳香烃类、酚类、酯类、醇类、酮类、胺、酸类、天然有机物究，取得了很好的效果。 利用超声技术降解水中的化学污染物,尤其是难降解的有机污染物是近几年来发展起来的新型水处理技术,尤其是废水中难降解有机污染物的治理,目前已取得了不错的结果。它具有去除效率高、反应时间短、设施简单、占地面积小等优点。近年来,超声技术在处理微污染水、高浓度难降解的有机废水、污泥以与饮用水杀菌、消毒和工业废水的阻垢、除垢等方面的研究,已取得了较大的成果。与紫外线、热、压力、化学等处理方法相比,超声波对污染物的处理更直接,对设备的要求更低。超声波水处理作用机理更新时间：08-3-7 14:12 一、功率超声机理 当一定强度的超声波在媒质中传播时，会产生力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应。这些效应可归纳为以下三种基本作用： 1、机械作用。超声波是机械能量的传播形式，与波动过程有关，会产生线性效变的振动作用。超声波液体中传播时，其同质点位移振幅虽然很小，超声引起的质点加质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加速度却非常大。若20KHz、1W/平方厘米的超声波在水中传播，则其产生的声压幅值为173Kpa，这意味着声压幅值每秒种要在正负173Kpa之间变化2万次，最大质点的加速度达144万米每二次方秒，大约为重力加速度的1500倍，这样激烈而快速变化的机械运动就是功率超声的机械振动效应。 2、空化作用。超声波在液体媒质中传播时，当声强达到一定期强度，液体中声场作用区域形成局部的暂时负压，使液体中的微气泡生长、膨胀至突然破裂，导致气泡周围的液体中产生强烈的激波，形成局部点的高温高压，空化泡崩溃时，在空化泡周围极小空间产生5000K的瞬态高温和约50mpa的应。，在空化泡周围极小空间产生5000K的瞬态高温和约50mpa的高压，且温度冷却率达10的9次方k/s，并伴有强烈冲击波和时速达400Km的射流，就是超声空化效应。 3、热作用。超声波在媒质中传播，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使自身温度升高。声能不间断的吸收可引起媒质中的整体加热，边界外的局部加热和空化形成激波时，波前处的局部边界外的局部加热和空化形成激波时，波前处的局部加热等，这就是功率超声的热作用。二、超声化学机理 1、超声催化。超声催化反应是一个新兴的研究领域。目前，有关反应模型、机理的研究尚很模糊，但众多的科研成果确认了催化反应的显著效果。其主要作用：一是高温高压条件有利于反应物裂解成自由基和二阶炭，形成更为活泼的物种。二是冲击波和微射流对固体表面有吸解和清洗作用。三是冲击波可破坏反应物结构，分散反应物系。四是超声空化导致金属品格的变形和部应变区的形成，从而提高金属化学反应活性。超声条件下的反应速率比没有超声时增加了100000倍，且反应时间大且反应时间大大缩短。 2、超声降解。超声处理可以降解大分子，尤其是处理高分子量聚合物的降解效果更显著。超声降解源于超声的机械效应、空化效应和热效应。三、超声水处理机理 功率超声的空化效应为降解水中有害有机物提供了独特的物理化学环境从而导致超声波污水处理目的的实现。超声空化泡的中有害有机物提供了独特的物理化学环境从而导致超声波污水处理目的的实现。超声空化泡的崩溃所产生的高能量足以断裂化学键。在水溶液中，空化泡崩溃产生氢氧基（OH）和氢基（H），同有机物发生氧化反应。空化独特的物理化学环境开辟了新的化学反应途径，骤增化学反应速度，对有机物有很强的降解能力，经过持续超声可以将有害有机物降解为无机离子、水、二氧化碳或有机酸等无毒或低毒的物质。 超声降解水中有机污染物技术既可单独使用，也可利用超声空化效应，将超声降解技术同其他处理技术联用进行有机污染物的降解去除。 超声波技术主要是指利用超声波来加速化学反应，提高化学反应产率。目前，对超声波技术降解水中污染物机理的认识主要是空化理论和自由基氧化机理，超声波对有机物的降解不是直接的声波作用，因为在液体中波长0.01510 cm(相当于15kHz10 MHz)远远大于分子的尺寸，和液体中产生的空化气泡的崩灭有密切关系。 超声波通过液体介质向四周传播，当声能足够高时，在疏松的半周期，液相分子间的吸引力被打破，形成空化核。空化核的寿命约为0.1s，它在爆炸的瞬间可以产生大约4 000K和100MPa的局部高温高压环境，并产生速度约110 m/s的具有强烈冲击力的微射流。然后该热点随之冷却，冷却率达109 K/s，并在液体中伴有强大的冲击波，水分子在热点达到超临界状态，并分解成羟基自由基、超氧基等。这些条件足以使有机物在空化气泡发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解或自由基反应，为有机物的降解创造了一个极端的物理环境。超声波水处理技术应用围更新时间：08-3-7 14:23 1、用于处理微污染原水 对微污染原水进行深度处理从而进一步改善供水水质是许多水厂面临的难题之一,现行的深度处理方法如活性炭、膜法、臭氧活性炭联用技术都存在着一定的问题。 近年来,超声技术用于处理微污染原水的研究已展开。程爱华等用腐殖酸、Fe3+离子、SiO2、阴离子洗涤剂、苯酚等配成一定浓度的模拟微污染水,在不同的反应容器(烧杯、圆盘、圆桶)中用频率为2024 kHz,功率500 W的超声波处理一段时间,结果说明,超声波对微污染水的色度、浊度、有机污染物均具有一定的去除作用,对降解色度、有机物来说,圆桶中实验效果最好,圆盘中实验效果次之,烧杯实验效果最差;对去浊而言,烧杯实验效果最好,圆桶中实验效果次之,托盘实验效果最差。 红等将超声波用于强化微污染水的生物处理,结果说明,通过一定强度的超声波处理后,膜生物反应器的生物活性得到增强,反应器有机负荷增加,有机物净化效率提高。超声处理促进了生物活性,且功率为10 W的超声波促进生物活性的效果最为明显。2、用于处理高浓度难降解有机废水 超声技术可用于处理各种难降解的有机废水,目前已用于含单环芳香族化合物、多环芳烃、酚类、氯化烃、氯代烃、有机酸、染料、醇类、酮类等废水处理的研究,并取得良好的效果。在实际的工业废水中,超声技术已用于处理造纸废水、印染废水、制革废水、焦化废水、制药废水、垃圾渗滤液等,并取得较好的效果; 志建等采用超声与厌氧生化法相联合处理工艺处理碱法草浆黑液,COD去除率可达57%69%,比单纯厌氧法提高约20%,且处理后污泥活性增加,综合毒性降低;祁梦兰等用超声处理染料废水,发现废水的可生化性提高,BOD5/COD由0.220.28上升到0.440.51。 国英等用声强为1.47 W/cm2、频率为24 kHz的超声波强化混凝沉淀处理制革废水,实验结果说明:先施加超声波60s,再投加混凝剂,COD去除率最高可达73.2%,比不用超声波时提高10%以上,说明超声波对混凝沉淀法处理制革废水有明显的强化作用; 子间用超声波SBR法处理焦化废水,在声强为9.21 W/cm2,处理时间为2.5 min时,废水的BOD5/COD由2.0提高到4.5;胡学伟用频率18 kHz、声强0.110 W/cm2的超声波处理垃圾渗滤液,结果说明,在pH 7、温度为55、处理时间为240min的条件下,渗滤液的COD由37050 mg/L降低到14140 mg/L,COD去除率达61.96%。3、用于城市污泥的处理 超声波在污泥处理中主要用于污泥脱水和促进厌氧发酵两个方面。超声波脱水常见工艺为城市污泥重力沉降超声波处理机械脱水。污泥菌胶团部包含水约占污泥总水量的27%,而菌胶团结构稳定,难以被机械作用(压滤、离心等)破坏,造成污泥脱水困难。超声波能有效的破坏菌胶团结构,将其部包含水释放出来,成为可以比较容易去除的自由水。 A.Teihm等研究说明用31 kHz、声能密度0.11W/cm3的超声波处理可以有效打破菌胶团,处理30 s后污泥平均尺寸从165m下降到135m,处理96 s后下降到85m。同时发现污泥菌胶团的解构效率随超声波频率的升高而降低,最正确分解频率为41 kHz。超声波破坏菌胶团结构后,大量被挟裹在菌胶团的有机物被释放到水中,从而易于为微生物所用。 Y.Chiu等发现,频率20 kHz、声能密度0.12 W/cm3的超声波处理4 h将污泥中可溶性COD占总COD的比值(SCOD/TCOD)从36%提高到89%,可溶性N的比值从34%提高到42%,基本取代了污泥水解过程,从而极大的缩短污泥厌氧发酵时间并提高了污泥可生化性。 U.Neis等研究说明用频率41 kHz、声能密度0.10W/cm3的超声波处理30120min,可以使污泥厌氧发酵时间从22d降到8 d,比容积消化速率从437 g/(m3d)上升到1166g/(m3d)。 据新加坡媒体报道，废水经过初级和次级净化处理后，会有残余的污泥。这些污泥含水量高，需要加以浓缩和脱水，减轻重量和体积后，才便于丢弃或做填土之用。新加坡公用事业局在最近发布的年报中透露，公用事业局和南洋理工大学正在试验性使用超声波技术来处理废水污泥，使其产生有用的生物气体。 这一技术的过程是，电流通过转换器变成高强度的超声波，超声波传入废水污泥，产生数以百万计的微小气泡，气泡爆开时会撕破细菌的细胞壁，废水污泥接着进行厌氧消化，就可以更有效地处理掉里面的细菌。实验显示，先将废水污泥经过超声波处理，进行厌氧消化时可以更有效地分解污泥和细菌，而且可以产生更多生物气体。这些生物气体就是甲烷，可以收集起来发电。处理过程不会产生其他副产品。 目前，新加坡乌鲁班丹污水处理厂正在测试这项技术。初步结果显示，污泥的分解效率提高了，生物气体的产生也增加了30%以上。因此，公用事业局将考虑在乌鲁班丹污水处理厂全面使用这项技术，未来的其他污水处理厂也可能会使用这项技术。 新加坡南洋理工大学土木与环境工程系邹光耀副教授说，用在环境工程的超声波技术还处于初步发展阶段。尽管其他区域的国家在利用超声波处理污水方面有很多成绩，但是这些成绩并不适用于新加坡，因为新加坡的废水污泥成分与其他国家不一样。他目前已确定了一些超声波处理废水污泥技术的控制常数，例如超声波降解的时间、密度和浓度等。这些常数都是依据新加坡的废水污泥成分，经过无数次测试得到的数据。实验显示，经过超声波处理的污泥在进行厌氧消化时的速度更快，消除有机物质的效率更高，能加强生物气体甲烷的产生，并改善甲烷的成分。 欧洲有很多污水处理厂已经在三四年前开始使用这项技术，分解污泥的效率和生物气体的产生至少提高了20%。目前，德国已经全面使用超声波技术处理废水污泥，英国、瑞典、美国、澳大利亚等国家也在测试这项技术。4、其他应用 超声技术还可以用于饮用水杀菌、消毒、阻垢、去除水垢等。林卫红对超声灭菌进行了研究,指出当频率为200 kHz、声强为2 W/cm2时,效果最正确,并且超声灭菌效果与原水中的细菌浓度无关。 天庆利用超声臭氧技术处理循环冷却水系统中的生物垢,发现用频率为20 kHz、振幅为20%的超声处理,可有效地控制生物垢的生长,该技术还可以移除90%以上已形成的生物垢。 超声波应用于在我国4t以下的小型锅炉数量很多(占总数的85左右)。这些锅炉结水一般不经过处理，往往结垢很厚，不仅费煤，而且常常停炉清垢，有时还要酸洗，耗钱费力，甚至因为水垢危害锅炉而造成事故。尤其是供暖锅炉，使用周期仅2-4个月。水处理设备与管理存在一定的困难，由于供暖锅炉使用周期短，水处理设备与化验人员不能完全配齐，对于锅炉化学清洗，非技术人员也难以掌握，处理不当会造成锅炉腐蚀损坏，为了解决锅炉水垢处理问题，利用超声波水处理器，对蒸汽锅炉静态除垢进行了研究。超声波技术在饮用水处理中应用的现状更新时间：08-3-10 16:08 在水源水预处理中的应用1、藻类与藻毒素的去除 我国饮用水水源约有25%是湖泊水或水库水，20世纪90年代后，淡水水体富营养化严重，水华发生的频率与严重程度都呈现迅猛的增长趋势。淡水中引起水华的藻类主要是蓝藻门的微囊藻属、鱼腥藻属、束丝藻属和颤藻属。它们都能产生藻毒素，其中分布广、危害大的是微囊藻毒素(Microcystins-LR，以下简称MC-LR)，MC-LR是一组环状七肽物质，结构稳定，能抵抗极端pH和300高温，具有明显的肝毒性。此毒素是蛋白磷酸酶1和2 A的强烈抑制剂，是迄今已发现的最强的肝肿瘤促进剂。蓝藻毒素具有致染色体断裂、致基因诱变以与较高的急性毒性，饮用水源中蓝藻大量繁殖，将危害人类的健康。 藻类与其分泌物质产生的主要问题有:藻类在代过程中易产生三卤甲烷的前驱物质，三卤甲烷是对人体具有潜在危害的致癌性物质，同时水中藻细胞数量的增大也增加了氯的使用量;部分藻类在代过程或死亡后释放藻毒素，在中国，流行病学调查显示，饮水中的MC-LR与肝癌的发病率高度相关;藻类所分泌的臭味物质导致饮用水出现异味，当水处理中氧化剂使用量较低时，不仅无法消除臭味的影响，有时还会和一些臭味有机物反应生成新的致臭物质。由于存在这些问题，饮用水处理中不能忽视藻类的影响。 Song等采用640 kHz的超声波发生器，对MC-LR的去除进行研究，试验中初始浓度为2.7mol/L纯的MC-LR在反应器中3 min后浓度降为原来的一半， 6 min后仅剩0.4mol/L。Zhang等人就不同频率(20 kHz， 80 kHz和1 320 kHz)超声波处理藻类进行研究，结果说明，超声波对藻类均按一级反应动力学进行，且有较好的去除效果，高频率能够加快藻类去除的反应速度。 有研究发现针对藻类产生的异臭物质土霉素(Geosmin)和二甲基异冰片(2-methy1isbomeol)，单独采用超声波处理也有不错的效果。2、腐殖质的去除 腐殖质是天然水体中常见的一类有机物，在天然水体中含量为几至几十mg/L，20世纪70年代中期发现，天然水进行氯化处理时，腐殖质在Cl2作用下生成卤代烃类化合物(THMs)。THMs被认为是致癌物质，该物质的去除既能减少消毒剂的用量又降低了饮用水风险，所以一直是饮用水研究的关键容。超声波技术被广泛应用到腐殖质的去除上，采用超声技术作为氯化前对腐殖质的预处理取得较好的效果。 Chema等人针对阿尔与尼亚湖水中的天然腐殖质和人工合成的腐殖质，就超声波对腐殖质的去除情况进行了研究，结果说明单独采用H2O2处理腐殖质，1 h后只能使其降解25%;同样条件下加入低频(20 kHz)的超声波联合作用，1 h后腐殖质可以全部去除，TOC的去除率也可以达到40%的水平。Naffrechoux研究超声波和UV对腐殖质的去除可使消毒剂氯气的用量为原来的1/2，消毒副产物为原来的1/3。3、生物预处理的强化 低频超声波能很好地提高生物的活性，主要表现在低强度、短周期的超声波处理可促进胞外酶的产率，这是生物预处理的关键。超声波空化作用可以加速生物反应器中的物质传递，这一过程对反应底物进入酶催化的活性部位与产物进入介质中的传质非常有利。国外Schlafer等实验室研究频率25 kHz的1.5 W/L，最正确功率密度的超声波辐射，最高可以提高生物降解速率达100%，同时发现只有在非常窄的超声强度围生物活性可以得到显著提高，太低的超声功率对生物降解速率的提高起不到作用，而施用强度太高的超声波会导致生物活性显著降低，甚至远低于没有超声波作用。对采用生物预处理微污染水源水而言，适宜的超声波能强化生物预处理的效果。国红等通过不同功率(5 W，10 W，15 W)的超声波在反应器中对地表微污染水源水进行生物预处理作用说明，功率为10 W的超声波促进生物作用的效果最为明显，经超声波处理后效果能保持24 h，对微生物活性和降解负荷均有提高。超声波在消毒和去除消毒副产物中的应用更新时间：08-3-10 16:11 1. 饮用水消毒 超声波技术比光、热、化学等方法消毒更直接，很早就被广泛应用到医学消毒上。超声波和消毒剂(Cl2，O3，H2O2)联合作为自来水的消毒由来已久，可以大大减少消毒剂的用量。Masaki等通过加入TiO2使超声波对水中的大肠杆菌的去除效果大大提高。大龄摇蚊幼虫对常规的消毒剂氯气、臭氧、双氧水有很强的抵抗力，南方一些自来水厂研究发现超声波可以有效去除自来水厂里的摇蚊幼虫。2. 对消毒副产物的去除 氯气是当前饮用水处理中最常用的一种消毒剂，由它所产生的一系列消毒副产物，如三卤甲烷(THMs)、卤乙酸等已被证实是致癌物质，超声波技术对这些物质的去除也是有效的。Hilla和Nava证实了在20 kHz超声波和250 mg/L的H2O2条件下能降解消毒副产物，同时五种常见卤代甲烷的降解关系为CHBr3 CHI3 CHBr2Cl CHBrCl2CHCl3。国，Guo等也就超声波处理四种不同的卤代甲烷研究说明，1 h以后的去除率满足CHCl3CHBr2ClCHBrCl2800 kHz40 kHz1 040 kHz。 Nagat等就外加空气和氩气对超声波技术处理2-，3-，4-与五氯苯酚的效果进行研究。结果说明对于低浓度的氯代苯酚，在氩气的条件下更容易降解，同时加入Fe()可以提高降解效率。超声波在膜污染控制中的应用更新时间：08-3-10 16:21 当前，膜技术(反渗透，纳滤，超滤)在饮用水处理中应用的普遍的问题就是不同程度受到膜污染的限制，从而使膜通量下降，压力增大，导致费用增加。 现在多采用错流、回流冲洗和化学清洗的方法来减轻膜污染，但这些方法都会产生二次污染并导致工艺间歇运行。超声波技术在清洗上的应用由来已久，利用超声波提供的高压和低压振荡区域产生的空化泡，能够防止固体颗粒停留在膜表面或使膜表面的污染层脱落，从而达到对膜污染的抑制和消除。 Chen等就超声波控制膜污染进行了研究，发现不论是对聚合还是瓷膜都有很好的效果。当膜位于超声的空化区域以，膜的通量有很大的提高，但同时也发现瓷膜中因为超声波的作用而有铝离子脱落，还没有具体超声波对膜材质损伤方面的资料。 随着膜技术的成熟和在饮用水中应用的深入，超声波在膜污染控制上的应用大有希望。 超声波产生的空化作用，能够产生大量的活性自由基，从而在局部高温高压的极端环境下，将水中有机物分解。超声波与紫外线、臭氧、双氧水等饮用水处理常用的高级氧化技术联合起来产生很好的协同效应，可以广泛应用于饮用水的深度处理中。另外，超声波的生物强化效应可以应用在微污染水源水的预处理中。超声波易形成设备化的优势使得其和膜处理与其他设备的结合在饮用水处理中具有广阔的应用前景。但超声波技术在饮用水的处理中还是一项新的技术，目前主要在实验室围研究，只有少数实际应用，真正实现水处理工业化还需要做大量的工作。超声波技术在水处理中的影响因素更新时间：08-3-10 16:29 1. 超声波反应器 超声波化学反应的核心是超声波反应器，如何改进反应器的结构，尽可能提高混响场强度，增强空化效果，提高超声波辐射面积，增加反应器的效率是超声波技术应用的核心。反应器可以是间歇的或连续的工作方式，超声波发生元件可以置于反应器的部或外部，可以是相同频率的或不同频率的组合。Shen等采用低频率(16 kHz)和高频率(800 kHz)双超声波协同处理五氯苯酚(PCP)，试验说明，同样条件下双超声波协同效果好于单一超声波作用。Wang等也就双超声波发生器的协同降解水中PCP效果进行研究，得到同样的结果，20 kHz的超声波分别和其他4种不同频率的超声波发生器协同效果均好于单一发生器，按脱氯效果依次排列为530 kHz800 kHz40 kHz1 040 kHz。笔者就超声波技术消除膜处理反应器中的膜污染进行研究，结果说明对16 kHz功率为5 W的超声波发生器，采用间隙工作方式，可降低能耗60%。2. 超声波的频率和声强 超声波技术处理水的关键因素是超声波的频率和声强。就单一超声波发生器对水中有机物的降解通常高频率比低频有效，这是由于HO自由基的产率随声源频率的增加而增加。 Petrier等人在相同的条件下用不同频率超声波处理原水中常见的分泌干扰物阿特拉津和五氯苯酚，结果阿特拉津在500 kHz高频条件下其降解速率是20 kHz时的7.8倍，而五氯苯酚则达到4.6倍。事实上，在超声波降解过程中，超声波强度和频率之间可能有一个最正确匹配的问题，而且频率的选择与被降解有机物的结构、性质以与降解历程有关。Zhang等就不同频率(20 kHz，80 kHz和1 320 kHz)和声强的超声波处理水源水中的藻类进行研究，结果说明，随着声强的增加，超声波降解反应和空化速率也增加，超声波按一级反应动力学对藻类有较好的去除效果，高频率能够加快藻类去除的反应速度。但是长的反应时间和高频率却导致处理水中藻毒素的增加，超声波强度在48 W以下为处理藻类的最正确条件。3. pH 超声波技术处理水中有机污染物主要依靠水中生成的自由基的作用，这样原水的pH会对反应产生一定的影响作用。由于超声降解发生在空化泡或空化泡的气液界面处，所以溶液的pH调节应尽量有利于有机物以中性分子的形态存在并易于挥发进入气泡核部。Chemat等用超声波处理天然水中的腐殖酸说明，在pH为3时效果最好，随着pH的升高，腐殖酸降解效率有所降低，这是因为酸性条件，腐殖酸更容易接近气泡核。而对于碱性污染物，如苯胺则在碱性条件下比较易于处理。所以最正确pH的确定还需要考虑超声波降解机理和有机污染物本身的酸碱性。同时，由于超声波的作用能产生中间产物，原水pH在处理前后会发生变化，这也是超声波处理水需要考虑的问题。Guo等人用超声波对氯消毒后含有卤代甲烷的水进行研究，发现在195 W/cm2的超声波作用1 h后原水pH从7.13变为6.69。4. 外加强化物质 为了提高超声波的效率，通常反应中会通入气体(如空气或氧气)，加入环境友好的铁粉或金属离子。由于超声波的空化作用，使得加入的气体在水中产生活性物质，从而增强对有机物的处理效果。Christian证实水中饱和的氧气在空化泡周围被激发，在水中产生大量的自由基: O22O(1)O+H2O2OH (2) Nagata等就外加空气和氩气对超声波技术处理2-，3-，4-与五氯苯酚进行研究。结果说明对低浓度的氯代苯酚在氩气的条件下更容易降解，这是由于单原子气体具有较高的绝热指数，从而影响空化气泡的生成。Dai等就单独超声波技术、超声波与铁粉协同技术、超声波与二价铁协同技术对水中五氯苯酚的去除进行研究。研究说明协同作用在PCP的降解和OH自由基生成两方面都有加强作用，空化作用增加了铁粉颗粒的表面积，同时提高了铁粉表面的吸附能力。Kim等就外加离子对超声波处理腐殖酸进行研究，Fe()和Mn()有较好的催化效果，而Al()、Ca()和Mg()对反应有抑制作用。超声水处理技术联用更新时间：08-3-10 16:42 1超声/臭氧联用技术 在超声与其他水处理技术相组合的联用技术中，超声/臭氧(US/O3)联用技术是研究最多与最早的技术之一。臭氧作为一种强氧化剂用于水处理工业化的关键是要臭氧能够很好地溶解与分散在水中，引入超声波，则可使臭氧充分分散与溶解，提高臭氧氧化能力，节约电能，减少臭氧的投加量。 1976年，EDahi就已经发现超声能够强化O3处理废水过程，他利用20 kHz超声强化O3氧化处理生物污水处理厂的出水时发现，这种技术可减少50%的O3投加量。尽管20 kHz超声对若丹明B脱色没有效果，但可加快O3对若丹明B脱色速率(其速率常数提高55%)。他认为，在超声作用下，O3分解产生的自由基是真正的氧化剂和杀菌剂，而O3分子本身只是起到产生自由基的作用。1998年，K.W.Linda等深入系统地研究了US/O3法，他们认为，尽管超声波能够加快O3在液体中的传质速率，但超声强化O3过程的主要原因是超声分解O3产生HO自由基，HO自由基进一步氧化有机物。 2001年Nilsun H。 Ince等以C.I.活性黑5染料为唯一底物，采用520 kHz的超声波和O3氧化作用对其降解，结果发现，US/O3法对C.I.活性黑5染料的脱色和降解过程都存在着协同效应。单独超声作用对C.I.活性黑5染料的脱色和降解过程都无明显效果，而在相同试验条件下，US/O3法对C.I.活性黑5染料的脱色率是O3脱色率的2倍，US/O3法对C.I.活性黑5染料的降解率比单独O3氧化的降解率提高26%。由此可见，超声对O3氧化能力具有良好的强化作用，这种强化作用不只是两者简单的加和，而是发生质的飞跃。US/O3的协同效应主要由于超声的空化机械效应增加了O3的传质和分解过程，从而提高了直接反应速率和中间产物的HO的氧化过程。 US/O3技术降解水中有毒有机物具有高效、低成本的特点，在水处理中具有很大的应用潜力。2超声/紫外/臭氧联用技术 在US/O3体系中引入紫外辐照，可提高有机污染物的降解效果。1985年，R. A.Sierka等用超声/紫外/臭氧联用技术(US/UV/O3)降解废水中的腐殖酸，结果发现，此法的降解效果好于单独的US、UV或O3法的降解效果。 2000年，E。 Naffrechoux等为了提高芳香族化合物的声降解速率，探讨了超声与紫外光组合工艺对芳香族化合物的降解影响。结果发现，苯酚的降解率有很大的提高，这可能是由于发生了三种不同的氧化过程:光化学氧化、高频声化学氧化和O3的氧化过程，有效地降低了生活污水中的COD。3超声/H2O2联用技术 在超声氧化过程中，超声起到反应物与催化剂的双重作用。作为反应物，超声可使有机分子降解;作为催化剂，超声使H2O2分解生成有效的氧化自由基，如HO和HOO，从而导致有机物发生一系列的氧化降解反应。H2O2在反应中，既是HO的来源，又是HO的清除剂，因此H2O2的量必须保持最正确值。 1996年，G.Lin等在超声反应器中加入H2O2后发现其可提高2-氯酚的降解速度。2000年，伟等研究了超声与超声/H2O2联合技术降解4-氯酚的效果，详细探讨了其影响因素，包括声强、溶液pH、4-氯酚的初始浓度和自由基清除剂。4-氯酚的超声降解机理以自由基氧化为主，超声/H2O2联合技术对水中4-氯酚的降解率和TOC的去除率均比单独采用超声处理的效果好。 2001年，F.Chemat等使用高强度(10 W/cm2)的超声与H2O2联合技术，通过TOC和UV-VIS的分析技术，对天然腐殖质与合成的腐殖质进行超声氧化降解。反应60 min后，TOC去除率50%，腐殖质全部降解。4超声/Fenton联用技术 在超声/H2O2体系中加入催化剂，其超声降解效果更佳，且COD去除率更高。 1998年，Alex De Visscher等研究了在Fenton(Cu2+/H2O2)体系中超声波对三氯乙烯、邻氯酚和1，3-二氯-2-丙醇的降解影响。动力学分析说明，超声波不增加体系的反应活性，只是将其降解加到化学降解中去，因此，联合技术的降解速率是单独声降解与静态化学降解速率之和，其中邻氯酚在无催化剂的情况下是个例外。Cu2+单独存在时不会提高声化学降解率，这与M。 N。 Ingale等的研究结果相反。 2002年，Carmen Stavarache等研究了氯苯在Fen-ton体系中的超声降解，通过PdSO4这一有效的指示剂，鉴别了声解的中间产物，阐述了氯苯声解的可能机理，解释了苯、苯酚、多酚和氯酚的形成。5超声/光化学联用技术 2001年， Wu Chunde等采用超声/光化学联用技术降解苯酚溶液，结果说明，以TOC去除率为评价指标，超声/光化学联用技术降解苯酚溶液存在着明显的协同效应。Fe2+作为催化剂提高苯酚的TOC的去除率。苯酚降解时产生中间产物，因此其矿化不彻底。苯酚的降解速率随着溶液pH的降低和溶解O2量的增加而增加。主要的降解产物(对苯二酚、儿茶酚、苯醌和间苯二酚)说明HO参与了苯酚的降解。 光催化处理有机污染物是一种有效的方法，在以TiO2作催化剂的光催化处理过程中，采用超声波的分散效应，使TiO2均匀分散，提高其催化活性。 1998年，Irfan Z.Shirgaonkar等采用频率为22kHz的超声波，15 W的紫外灯作光源，TiO2作催化剂，对2，4，6-三氯酚进行声光化学降解。结果说明，2，4，6-三氯酚的声光化学降解与声强、反应温度和超声装置有关，而与紫外光的传输方式、污染物的浓度无关。声强、温度越高，2，4，6-三氯酚的降解率就越大。 2001年，Lev Davydov等选用4种不同的TiO2作催化剂，考察超声/光化学法对水酸降解的影响，得出降解水酸的最大协同体系。与紫外光降解相比，声光化学法降解水酸显示出更快的降解速率和更高的降解效率，声光化学法降解水酸时与粒径较小的催化剂(Hombikat)存在协同效应，而与粒径最大的催化剂(Aldrich)无协同作用。在超声条件下，Degussa P25催化剂对水酸有最大的降解活性。同时，他们分析了苯酚在光催化降解时本体溶液中的中间产物，超声波的存在消除了溶液中的有毒中间产物。6超声/电化学联用技术 大多数有机污染物在阳极氧化时可降解为CO2和H2O。然而，在电解法处理有机废水，有机物在电极上被氧化或还原时，会在电极表面生成一层聚合物膜，从而改变了电极表面性质，导致电极活性下降和电耗增加等。利用超声波的空化效应，可使电极复活，强化反应物从液相主体向电极表面的传质过程，消除浓差极化等。 1996年，F.Trabelsi等借助电化学方法考察了超声反应器中的传质过程，这种方法可用于确定反应器中的活性区域。实验采用频率为20 kHz的超声波，在NaCl溶液中对苯酚进行声电化学氧化10min后，苯酚的降解率为75%，但生成对苯醌有毒中间产物。在同样时间里，采用频率为500 kHz的超声波进行声电化学降解，苯酚的降解率为95%，最终降解产物为乙酸和氯乙酸。 2001年，卫国等采用自制的声电联用装置(UECOS)，选择苯酚、十二烷基苯磺酸钠(DBS)和邻苯二甲酸氢钾三种有机物为对象，研究了UECOS技术去除有机污染物的机理主要是基于在电催化过程中生成H2O2并迅速生产HO对水中有机物的强氧化作用。 用UECOS技术处理有机污染物比单独的ECS法去除率提高10%20%。根据IR、GC-MS和TOC的分析结果说明，有机反应物首先被氧化成小分子有机碎片，最终可被矿化为CO2和H2O。 2002年，R.H.de Lima Leite等通过频率分别为20 kHz和500 kHz的超声波，选用Pt电极对2，4-二羟基安息香酸(2，4-DHBA)进行降解。超声波在高频时，产生的HO直接氧化有机污染物;而在低频时，超声波可显著提高电活化粒质从本体溶液到电极表面的传质速率。对于质量浓度为300 mg/的2，4-DHBA溶液，超声波的频率为20 kHz，电流密度为300 A/m2，通过电流量为1.5 Ah时，溶液的TOC下降47%。而在高频时发生的电氧化或声电氧化降解，在通过电流量为3.5 Ah时，溶液的TO仅下降32%。超声波在低频时，2，4-DHBA的降解加速，溶液TOC很低，可能由于空化现象利于电极表面的清洗，提高活性电极的表面积。试验结果发现，声电降解的中间产物与电氧化降解的中间产物相同。在低频超声辐照时，为芳香族化合物的中间产物更少，感应电流增加，有效利用了电化学能，但实验中总的能耗仍然很高(200 kW/kg)。 目前利用超声/电化学联用技术降解水中有毒污染物的主要研究工作集中在电极与反应器的设计、优化超声能量分布与降低能耗上。7超声/微电场联用技术 超声/微电场联用技术是超声/电化学联用技术的一种形式。1998年，HHuang等研究了超声/微电场联用技术降解水中的CCl4，该过程具有耦合作用，可能由于空化效应能够清洗和活化Fe0表面，并加速了反应物向Fe0表面的传质速度。 2002年，卞华松等研究了超声微电场中硝基苯的降解过程，并探讨了降解机理与反应历程。结果说明，硝基苯的降解符合一级反应，超声与微电场的耦合作用大大提高了硝基苯的降解效率，在槽电压10 V条件下，协同作用的降解速率比简单加和作用的速率高一倍以上，经过30 min协同处理后可以获得93.8%的去除率，而溶液中饱和气体种类等对降解也产生一定的影响。经紫外和SMPE-GC-MS分析，推断硝基苯在电超声场作用下存在氧化还原反应与热解、自由基作用等协同作用。主要中间产物为苯胺、偶氮苯、1-氧-2-苯基二氮烯、1，2-苯二甲酸二丁酯、1，2-苯二甲酸丁酯异丁酯等，最终产物为CO2，H2O与无机盐类。8超声/湿法氧化联用技术 由于超声降解不完全，而湿法氧化技术又难以处理某些大分子有机物，故通过该法先在常温下用超声将大分子有机物降解成小分子，再用湿法氧化处理，该法具有互补作用。 2000年，Atul D。 Dhale等研究了超声/湿法氧化联用技术(SONIWO)对十二烷基苯磺酸钠的降解影响，结果说明，在483 K以上，超声提高了湿法氧化的速率和COD的去除率。CuSO4溶液也能提高COD的去除率。湿法氧化十二烷基苯磺酸钠时，生成了苯酚、对苯二酚、马来酸、草酸、丙酸和乙酸。同时他们还提出了湿法氧化的总速率与COD去除率之间的关系式。9超声/生物联用技术 对一些难生化降解的废水，可先经超声处理以提高其生化降解性，再用常规生化法处理。既解决了单独使用超声成本高的问题，也解决了生化法难于处理的问题，具有互补性，有良好的工业前景。 志建等在2000年用超声与厌氧生化法联合处理碱法草浆黑液，其生化性提高，综合毒性降低，污泥活性增强，活性期前移。 2002年，O。Schlafer等采用超声/生物联用技术处理食品废水。通过大量实验考察了声强对废水中有机物的降解率的影响。实验结果说明，声强只是在很小的围才能显著提高生物活性。过低的声强对降解速率无影响，过高的声强会显著降低生物活性，因此在研究生物作用时应优化声强。实验发现，在频率为25 kHz，声强为1.5 W/m2的超声波作用下，最大生物降解率增加超过100%。从而使反应器体积大幅度减小，同时，活化了生物过程，降低了输入能量。 超声/生物反应器主要应用于生物技术和制药工业，制得高价值的产品来弥补超声的高投资。10超声/脱附联用技术 吸附法是常见的水处理技术，但吸附剂的再生一直未得到很好的解决。1998年，S.R.Rege研究了在超声作用下再生饱和酚的活性炭和高分子树脂，并取得良好的效果。认为超声加速脱附的原因是声空化引起的微射流强化了酚的孔扩散速度。 2002年，祥斌等实验发现，施加超声波不仅可以改变在常规下已达平衡的NKA树脂苯酚水体系的相平衡状态，使体系新的平衡状态向吸附量减少的方向移动，而且通过超声空化作用强化了相间质量的传递过程，在超声条件下的扩散系数比常规条件下的扩散系数约大一个数量级，随着超声场声强的增加，扩散系数也增大。11超声/磁化学联用技术 利用磁的化学效应，有效地防止或减少HO和H的复合，提高HO的浓度，大大强化了超声处理效果。大学靳强等在2002年就此废水处理方法申请了发明专利。12超声/电/磁场联用技术 此法系日本东京三菱化工机械公司与Proudo公司联合开发成功的，首先，用一0。53 T的磁场使废水中的有机分子排成一条直线，从而使有机物在随后的电和超声波处理中容易一些。在磁场处理工序之后，废水用1020 kV交流电脉冲处理，以使有机物分解成较低的分子链段。然后，废水送往3个顺序相连的反应器的电解反应区。每一反应器装配有用不同材料制成的电极，在50500 V围调节直流电压，使有机分子的氧化或还原最正确化。然后，用2030 kHz的超声波处理使有机物进一步分解、气化。废水最后流入处理槽，在槽中用高频(200300 MHz)微波和更高频率(1020 GHz)的微波与950 kHz频率的超声波使有机物进一步分解，使水消毒和使无机固体聚结。超声波水处理技术联用工艺流程更新时间：08-3-10 17:22 流程说明 1、污水混合反应，系指将污水收集到混合反应槽作混合反应。既可以将絮凝剂掺入污水中，也可以将红土磁粉掺入污水中进行混合反应，以便为后工艺中的固液分离作准备。 2、沉淀过流槽，系指经混合反应后的污水转入沉淀过流槽，使经过初步沉淀的污水向后工序流动。 3、磁化降解和固液分离，系指污水经磁轮处理后，既完成固液分离（污泥与水分离），又对污水进行了磁化降解。 4、超声降解，系指经固液分离后的水送到超声降解槽中进行降解、杀菌，超声降解装置为两个不同频率的超声换能器振板安装于槽上部和底部，使被处理污水从上下夹层中间动声混响场承受超声降解处理，也可以同时加入氧化剂类参与降解。 5、若对处理后的水有很高的回用要求，则可以在超声降解后再接于紫外C作进一步消毒处理。 6、声、磁、光污水处理系统可以对种类有毒降解的污水进行降解、杀菌、消毒处理，是当今污水处理领域的最新技术。 7、本系统采用集成技术，可以满足超小型（日处理量 1000立方米 ）、小型（日处理量 5000立方米）、中型（日处理量 10000立方米 ）、和大型（日处理量 100000立方米）的不同要求。超声波水处理技术发展前景更新时间：08-3-10 17:24 目前超声技术在水处理上的研究已取得了较大的成果，但大部分的研究都还局限于实验室处理水上。要使超声技术走向工业化应用，还需加强以下方面的研究： (1)进一步研究各参数对降解效果的影响，寻最正确参数值。 (2)研究考察两种与两种以上不同频率的超声同时作用时对降解效果的影响。 (3)研究超声与其他氧化工艺的协同作用，实多项单元技术的优化组合，使其从技术上和经济更为可行。 (4)加大对反应动力学的研究，研制开发高效的能够大批量处理和连续运行的超声波反应器。24 / 24