聲化學(xué)技術(shù)課件

聲化學(xué)氧化技術(shù)聲化學(xué)技術(shù)概述超聲降解機(jī)理影響因素其他工藝聯(lián)用存在問(wèn)題1.概述聲化學(xué)是指利用超聲波（ultrosound，縮寫(xiě)US）加速化學(xué)反應(yīng)或啟動(dòng)新的反應(yīng)通道，以提高化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率或獲得新的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。1.1聲化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域廣

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

……1.2有關(guān)超聲波的基本知識(shí)超聲波是頻率在20KHz以上,由一系列疏密相間的縱波構(gòu)成。20

超聲波向周?chē)橘|(zhì)傳播時(shí)，產(chǎn)生一種疏密的波形。

連續(xù)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(zhì)有關(guān)與頻率無(wú)關(guān)隨介質(zhì)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(zhì)的聲速、密度和聲阻

名稱(chēng)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(chǎng)

介質(zhì)受到超聲振動(dòng)能作用的區(qū)域叫超聲聲場(chǎng)1.2.3聲壓聲壓，即聲能的壓力，代表超聲波的強(qiáng)度。超聲傳播時(shí)在稠密區(qū)產(chǎn)生正壓，在稀疏區(qū)產(chǎn)生負(fù)壓。1.2.4聲強(qiáng)(超聲功率強(qiáng)度)

為單位時(shí)間內(nèi)聲能的強(qiáng)度，即在每秒內(nèi)垂直通過(guò)每平方厘米面積的聲能。W/cm2超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，巨大能量使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生很大的加速度一般中等強(qiáng)度的聲波通過(guò)水時(shí)，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(qiáng)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(guò)重力加速度5～10萬(wàn)倍。2.超聲波降解機(jī)理超聲空化熱點(diǎn)理論自由基理論降解過(guò)程2.1超聲空化當(dāng)超聲波輻照液體時(shí)，會(huì)使液相分子間的吸引力在疏松的半周期內(nèi)打破，形成空化泡，這一過(guò)程叫做超聲空化?？栈譃樗矔r(shí)空化和穩(wěn)態(tài)空化。聲化學(xué)上利用的空化多為瞬時(shí)空化.

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

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

自由基氧化,高溫?zé)峤?超臨界水氧化,機(jī)械效應(yīng).疏水性有機(jī)污染物(主要是脂肪烴,鹵代脂肪烴,鹵代烴,氯氟代烴),易揮發(fā),在空化泡形成過(guò)程中進(jìn)入氣泡內(nèi),氣泡壓縮崩潰時(shí),高溫高壓使其熱解.親水性有機(jī)污染物(酚類(lèi),單環(huán)芳香族化合物,多氯聯(lián)苯),在水環(huán)境,由擴(kuò)散的自由基氧化降解.影響因素超聲波的參數(shù)超聲頻率超聲功率和聲強(qiáng)聲能密度反應(yīng)器結(jié)構(gòu)水中的參數(shù)溶解氣體界面特性溫度pH值3.1超聲波參數(shù)的影響3.1.1超聲頻率（超聲頻率效應(yīng)與有機(jī)物的超聲降解機(jī)理有關(guān)）親水性難揮發(fā)：頻率，空化核半徑，更多自由基逸出，有利。頻率太高，核內(nèi)能量太少，自由基太少，不利。

————存在一個(gè)優(yōu)化值憎水性易揮發(fā)：頻率，聲周期縮短，空化泡數(shù)目增加，效率增強(qiáng)。

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

結(jié)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(qiáng)的影響當(dāng)聲強(qiáng)＞空化閾，才能產(chǎn)生空化效應(yīng)行波場(chǎng)中空化閾=0.7W/cm2混響場(chǎng)中空化閾=0.3W/cm2降解速率一般隨聲強(qiáng)的增大而增大，基本呈線(xiàn)性關(guān)系。3.1.3聲能密度的影響聲能密度（W/cm3）：?jiǎn)挝惑w積溶液被施加的超聲能量。一般來(lái)說(shuō)，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(yīng)器結(jié)構(gòu)的影響反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的影響反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目的就是在恒定功率條件下，盡可能提高混響場(chǎng)強(qiáng)度，增強(qiáng)空化效果。改變波源位置和頻率來(lái)增強(qiáng)反應(yīng)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?？栈荼罎r(shí)產(chǎn)生高溫引起的化學(xué)反應(yīng)與溶液中所溶解氣體的性質(zhì)有關(guān)。3.2水中的參數(shù)氣體比熱比越大，tmax越大，空化強(qiáng)度越強(qiáng)氣體溶解度越強(qiáng)，越容易壓入液相，產(chǎn)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(jié)合成水的機(jī)會(huì)20kHz時(shí)，碘化鉀的轉(zhuǎn)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(shù)下降,蒸汽壓升高,從而空化閾下降,空化泡容易產(chǎn)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(chǎn)生的瞬時(shí)高溫和高壓均降低,空化強(qiáng)度減弱.溫度存在最佳值3.2.3pH值的影響有機(jī)物在水中存在的形式,分布系數(shù)發(fā)生改變,導(dǎo)致降解機(jī)理的改變.堿性條件下，有機(jī)物以鹽的形式存在,則水溶性增加,揮發(fā)度降低,空度化泡內(nèi)和氣液界面處有機(jī)物濃度降低Lin等人用超聲波-H2O2技術(shù)降解2-氯酚時(shí)發(fā)現(xiàn),pH為3時(shí)的氧化速率是pH=11時(shí)的6.6倍pH對(duì)疏水性的易揮發(fā)的氯乙苯影響較小,而對(duì)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(yīng),但增加液體離子濃度,有利于有機(jī)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(gòu)成Fenton試劑,增強(qiáng)超聲氧化能力,有利3.2.5底物濃度和性質(zhì)的影響親水性疏水性4與其他工藝的結(jié)合超聲與其他高級(jí)氧化法結(jié)合超聲/化學(xué)氧化還原法結(jié)合超聲/生物法超聲/物理法4.1超聲與高級(jí)氧化法結(jié)合超聲/臭氧法超聲/光化學(xué)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(yīng),空化產(chǎn)生的射流能夠清洗電解質(zhì)表面,加速液固傳質(zhì)化學(xué)效應(yīng),泡內(nèi)直接熱解,或自由基氧化4.2超聲與化學(xué)氧化還原法結(jié)合超聲與過(guò)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