超声波作用于水处理领域,大大提高水处理效果
2013/1/15 10:28:59

二十世纪九十年代Mason进行超声空化降解水中的有害有机物的研究时,研究证明,超声降解水中有机物效果显著,从而引起很多学者的兴趣。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及射流,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。超声作用于水处理,是近年来声化学领域研究的新发展。
二、处理机理
(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。这些效应可归纳为下列三种基本作用:
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。超声波在液体中传播时,其同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/m2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钟内要在正负173Kpa之间变化2万次,最大质点的加速度达144万平米每二次方秒,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,当声强达到一定的强度,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、澎胀至突然破裂,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内产生5000K的高温和约50Kpa的高压,且浊度冷却率达109K/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。
当叶轮进口低压区的压力Pk小于或等于饱和蒸气压Pva时,水就大量激化,同时,原先溶解在水里的气体也自动逸出,出现“冷沸”现象,形成气泡中充满蒸汽和逸出的气体。气泡随水流带入叶轮中压力升高的区域时,气泡突然被四周水压压破,水流因惯性以调整冲向气泡中心,在气泡闭合区内产生强烈的局部水锤,其瞬间的局部压力,可以达到几十兆帕,此时,可以听到气泡冲破时炸裂的噪声,这种现象称为气穴现象。由这种现象得出的效应称为气蚀。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,但众多的鹅卵石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内部应变区的形成,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时,降解效果更为显著。超声降解源于超声的机械效应、空化效应和热效应。
三、相关工艺技术介绍
1.固液分离是超声处理的前提
污水一般伴有悬浮污物或杂质,因此必须有收集装置,这种装置可以是污水池或污水槽,其中的大体积杂物和污物应与污水分离,当一些细小体积的悬浮物则可添加聚丙烯酰胺絮凝剂或无机絮凝剂。
阴、阳非离子型聚丙烯酰胺絮凝剂是一种水溶性的高分子聚合物或电解质。它能通过吸附污水中悬浮的固位粒子,使粒子间架桥或通过电荷中的和使粒子沉降,有非常明显的加快溶液澄清,促进过滤等效果。若同时使用无机絮凝剂,则可显示出更大的效果。絮凝剂的添加量一般为0.011g/m3,在冷水中也能完全溶解。其主要作用是澄清净化作用、沉降促进作用、

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