超声波技术报告人,彭晓云指导老师：胡翔 博士前言
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 10a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。随后印度、法国与比利时等国纷纷致力于这方面的研究，做了大量的工作。
国内自 1996年开始了此类工作的研究。
一、机理
热点理论模型当一定频率和声强的超声波辐射溶液时，在声波负压相作用下产生大小仅为几个至几十个 μs的 空化泡,在随后声波正压相作用下迅速崩溃，整个过程发生在 ns— μs时间内，气泡快速崩溃伴随着气泡内蒸汽绝热加热，产生大约 4000K和 100MPa的 局部高温高压环境,即形成所谓,热点,。并产生速度约
110m/s具有强烈冲击力的 微射流 。
机理
自由基氧化反应产生Ｈ 2Ｏ 2和 ·ＯＨ自由基，具有很强的氧化性，化学性质活泼
高温热解对于易挥发的有机物,高温高压下发生热裂解断键
超临界水氧化具有低介电常数、高扩散性及高传输能力等特性，
是一种理想的反应介质，有利于大多数化学反应速率的增加反应区域
空腔内部空化气体、水蒸气及易挥发有机溶质蒸气的混合物组成，大部分自由基反应在此相进行
界面区域围绕气相的一层很薄的超热液相层，呈超临界状态,极易发生非常规反应
本体溶液羟基自由基反应可继续在该条件下反应二、影响因素
超声系统因素声强、频率,功率
溶液性质影响因素温度,pH值,饱和气体
反应器结构因素
催化剂因素氧化性物质,Fenton试剂声强
超声波的声强即超声功率，一般以单位辐照面积上的功率来衡量 (W/cm2)
在一定范围内，超声降解反应的速率随功率强度的增大而增加
但超过极值后，降解速度随之而降低。
原因：空化泡会在声波的负相长得很大，上升而逸出水面，这样系统利用超声能会降低，
致使降解率减小,
温度
在一定范围内适当的提高温度有利于提高超声降解的效率,15℃ 到 30℃
温度过高超声降解效率下降
溶液表面容易有雾化现象，液体中的气泡大量增多，
液面的反射能力削弱，声波散射损耗大大加强，减少了声强的利用率；
由于溶液中氧气的减少，导致空化过程中气泡核通过热损失的能量增加，从而使空化效应减弱,
pH值
溶液的 PH值调节应尽量有利于有机污染物以 中性分子 的形态存在
当溶液ｐＨ值较小时 (小于有机物质的离解常数ｐＫ
ａ ),有机物质在水溶液中以分子形式存在为主,容易接近空化泡的气液界面,并可以蒸发进入空化泡内,
当溶液ｐＨ值较大时 (大于ｐＫａ ),有机物质发生电离以离子形式存在于溶液中,不能蒸发进入空化泡内,
只能在空化泡的气液界面上和本体溶液中同自由基发生氧化反应,降解效率较低。
反应器结构因素
反应器构造在很大程度上影响声场的分布,从而影响空化泡的产生与分布,最终反映为声化学反应速率的变化。
探头直接淹没式：声强较高而作用范围较窄。
那么,当探头截面积增大,声场分布趋于均布
通过换能器与反应器表面耦合传递机械振动式三、超声波技术在环境工程中的应用
饮用水杀灭细菌 （ 消毒 ） 改善固液分离 去除管道中的水垢
污水超声化学污染物降解 提高生化降解能力
污泥提高脱水能力 分解生物固体超声化学污染物降解
多种卤代烃类,如ＣＦＣ系列
酚类,如苯酚、氯酚、硝基酚、多卤代酚等
醇类
聚合物,如ＤＮＡ、果胶、异丁烯酸等
芳香族,多氯联苯、聚氯苯、蒽、萘等
农药,如马拉磷、六六六、乐果、敌敌畏等
以及其他多种有毒难降解有机物超声化学污染物降解
挥发性污染物 优先被热解反应降解,该反应发生在空化气泡的气相中
疏水性污染物 累积并在空化气泡的疏水边界层发生反应。边界层的 ·ＯＨ和Ｈ 2Ｏ 2浓度明显高于周围液体，
降解主要由热解和自由基反应完成
液体中亲水污染物 的降解主要由与自由基或Ｈ 2Ｏ 2反应完成
大分子和颗粒物 由空化气泡崩灭产生的流体力学力分解。
超声波强化污水生物处理
低强度的超声波对生物活性具有促进作用，稳态空化导致空化气泡周围的细胞壁和细胞膜的击穿和可逆的细胞膜通透性的改变,可加快细胞内外物质交换、传输和可逆渗透,从而改变细胞生长速率,提高生物重量
超声波间接强化生物处理工艺 —— 超声空化预处理工艺
超声波在污水生物反应器中直接强化生物处理工艺超生在污泥处理中的应用
在不添加化学变性剂、酶以及其他微粒的情况下,连续的高频超声波作用 能够溶解细菌孢子 。
超声波对污泥能够产生一种 海绵效应,使水分更易从波面传播产生的通道通过,从而使污泥颗粒团聚、粒径增大,当其粒径大到一定程度,就会做热运动相互碰撞、粘结,最终沉淀。
超声波对污泥的其他一些作用,如 局部发热、界面破稳、扰动和空化,能够使污泥中的 生物细胞破壁,并且加速固液分离过程,改善污泥的脱水性能。
四、超生技术的发展
超声 -催化剂法
超声 -紫外光法
超声 — 电化学耦合法超声 -催化剂法
催化剂的加入会促进水体中如酚类等憎水性、
难挥发性污染物的降解速度。
氧化性催化剂主要包括了过氧化氢、臭氧、
次氯酸
它主要是利用了自由基作用原理，使氧化性物质空化过程中在液体界面产生自由基，从而促进污染物的降解。
超声 -紫外光法
由于超声波发生源的技术所限,超声波的频率还达不到紫外光的高频率 ;两者的传播介质与能量水平也有许多不同,这些表明两者间具有互补协同性,假如紫外催化再配上超声波,空化作用,所创造的物理环境与多样作用,两种辐射相辅相成,可以大大增强氧化剂的分解能力,缩短反应时间,减少氧化剂用量。
超声 — 电化学耦合法
超声 — 电化学法耦合法主要结合超声波的作用原理，利用电解氧化、电环还原、
电解絮凝或电解浮上等作用，破坏有机污染物的分子结构或存在状态，促进其降解。
五、超声波技术的展望
优点
低能耗、无污染或少污染，对毒性高、难降解有机物废水的处理简便、有效
设备简单，容易操作，对所要处理的溶液物理化学性质如 pH和反应物浓度要求较低
不需加任何试剂，是一项洁净的安全技术
在降解有机物的同时伴随有杀菌消毒功效，
可减少消毒剂用量超声波技术的展望
改进
深入研究机理超声波空化泡界面的特性,弄清超声波作用下有机物降解机理,开发促进降解的催化剂,对症下药,从而加快反应速度,促进有机污染物彻底降解,避免造成环境的二次污染。
拓宽研究领域超声波技术的展望
优化反应器改进超声波发生器的结构,优化工艺参数,提高反应效率,从而减少成本
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 10a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。随后印度、法国与比利时等国纷纷致力于这方面的研究，做了大量的工作。
国内自 1996年开始了此类工作的研究。
一、机理
热点理论模型当一定频率和声强的超声波辐射溶液时，在声波负压相作用下产生大小仅为几个至几十个 μs的 空化泡,在随后声波正压相作用下迅速崩溃，整个过程发生在 ns— μs时间内，气泡快速崩溃伴随着气泡内蒸汽绝热加热，产生大约 4000K和 100MPa的 局部高温高压环境,即形成所谓,热点,。并产生速度约
110m/s具有强烈冲击力的 微射流 。
机理
自由基氧化反应产生Ｈ 2Ｏ 2和 ·ＯＨ自由基，具有很强的氧化性，化学性质活泼
高温热解对于易挥发的有机物,高温高压下发生热裂解断键
超临界水氧化具有低介电常数、高扩散性及高传输能力等特性，
是一种理想的反应介质，有利于大多数化学反应速率的增加反应区域
空腔内部空化气体、水蒸气及易挥发有机溶质蒸气的混合物组成，大部分自由基反应在此相进行
界面区域围绕气相的一层很薄的超热液相层，呈超临界状态,极易发生非常规反应
本体溶液羟基自由基反应可继续在该条件下反应二、影响因素
超声系统因素声强、频率,功率
溶液性质影响因素温度,pH值,饱和气体
反应器结构因素
催化剂因素氧化性物质,Fenton试剂声强
超声波的声强即超声功率，一般以单位辐照面积上的功率来衡量 (W/cm2)
在一定范围内，超声降解反应的速率随功率强度的增大而增加
但超过极值后，降解速度随之而降低。
原因：空化泡会在声波的负相长得很大，上升而逸出水面，这样系统利用超声能会降低，
致使降解率减小,
温度
在一定范围内适当的提高温度有利于提高超声降解的效率,15℃ 到 30℃
温度过高超声降解效率下降
溶液表面容易有雾化现象，液体中的气泡大量增多，
液面的反射能力削弱，声波散射损耗大大加强，减少了声强的利用率；
由于溶液中氧气的减少，导致空化过程中气泡核通过热损失的能量增加，从而使空化效应减弱,
pH值
溶液的 PH值调节应尽量有利于有机污染物以 中性分子 的形态存在
当溶液ｐＨ值较小时 (小于有机物质的离解常数ｐＫ
ａ ),有机物质在水溶液中以分子形式存在为主,容易接近空化泡的气液界面,并可以蒸发进入空化泡内,
当溶液ｐＨ值较大时 (大于ｐＫａ ),有机物质发生电离以离子形式存在于溶液中,不能蒸发进入空化泡内,
只能在空化泡的气液界面上和本体溶液中同自由基发生氧化反应,降解效率较低。
反应器结构因素
反应器构造在很大程度上影响声场的分布,从而影响空化泡的产生与分布,最终反映为声化学反应速率的变化。
探头直接淹没式：声强较高而作用范围较窄。
那么,当探头截面积增大,声场分布趋于均布
通过换能器与反应器表面耦合传递机械振动式三、超声波技术在环境工程中的应用
饮用水杀灭细菌 （ 消毒 ） 改善固液分离 去除管道中的水垢
污水超声化学污染物降解 提高生化降解能力
污泥提高脱水能力 分解生物固体超声化学污染物降解
多种卤代烃类,如ＣＦＣ系列
酚类,如苯酚、氯酚、硝基酚、多卤代酚等
醇类
聚合物,如ＤＮＡ、果胶、异丁烯酸等
芳香族,多氯联苯、聚氯苯、蒽、萘等
农药,如马拉磷、六六六、乐果、敌敌畏等
以及其他多种有毒难降解有机物超声化学污染物降解
挥发性污染物 优先被热解反应降解,该反应发生在空化气泡的气相中
疏水性污染物 累积并在空化气泡的疏水边界层发生反应。边界层的 ·ＯＨ和Ｈ 2Ｏ 2浓度明显高于周围液体，
降解主要由热解和自由基反应完成
液体中亲水污染物 的降解主要由与自由基或Ｈ 2Ｏ 2反应完成
大分子和颗粒物 由空化气泡崩灭产生的流体力学力分解。
超声波强化污水生物处理
低强度的超声波对生物活性具有促进作用，稳态空化导致空化气泡周围的细胞壁和细胞膜的击穿和可逆的细胞膜通透性的改变,可加快细胞内外物质交换、传输和可逆渗透,从而改变细胞生长速率,提高生物重量
超声波间接强化生物处理工艺 —— 超声空化预处理工艺
超声波在污水生物反应器中直接强化生物处理工艺超生在污泥处理中的应用
在不添加化学变性剂、酶以及其他微粒的情况下,连续的高频超声波作用 能够溶解细菌孢子 。
超声波对污泥能够产生一种 海绵效应,使水分更易从波面传播产生的通道通过,从而使污泥颗粒团聚、粒径增大,当其粒径大到一定程度,就会做热运动相互碰撞、粘结,最终沉淀。
超声波对污泥的其他一些作用,如 局部发热、界面破稳、扰动和空化,能够使污泥中的 生物细胞破壁,并且加速固液分离过程,改善污泥的脱水性能。
四、超生技术的发展
超声 -催化剂法
超声 -紫外光法
超声 — 电化学耦合法超声 -催化剂法
催化剂的加入会促进水体中如酚类等憎水性、
难挥发性污染物的降解速度。
氧化性催化剂主要包括了过氧化氢、臭氧、
次氯酸
它主要是利用了自由基作用原理，使氧化性物质空化过程中在液体界面产生自由基，从而促进污染物的降解。
超声 -紫外光法
由于超声波发生源的技术所限,超声波的频率还达不到紫外光的高频率 ;两者的传播介质与能量水平也有许多不同,这些表明两者间具有互补协同性,假如紫外催化再配上超声波,空化作用,所创造的物理环境与多样作用,两种辐射相辅相成,可以大大增强氧化剂的分解能力,缩短反应时间,减少氧化剂用量。
超声 — 电化学耦合法
超声 — 电化学法耦合法主要结合超声波的作用原理，利用电解氧化、电环还原、
电解絮凝或电解浮上等作用，破坏有机污染物的分子结构或存在状态，促进其降解。
五、超声波技术的展望
优点
低能耗、无污染或少污染，对毒性高、难降解有机物废水的处理简便、有效
设备简单，容易操作，对所要处理的溶液物理化学性质如 pH和反应物浓度要求较低
不需加任何试剂，是一项洁净的安全技术
在降解有机物的同时伴随有杀菌消毒功效，
可减少消毒剂用量超声波技术的展望
改进
深入研究机理超声波空化泡界面的特性,弄清超声波作用下有机物降解机理,开发促进降解的催化剂,对症下药,从而加快反应速度,促进有机污染物彻底降解,避免造成环境的二次污染。
拓宽研究领域超声波技术的展望
优化反应器改进超声波发生器的结构,优化工艺参数,提高反应效率,从而减少成本
