声化学技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,声化学氧化技术,声化学技术,概述,超声降解机理,影响因素,其他工艺联用,存在问题,1.概述,声化学是指利用超声波（ultrosound，缩写US）加速化学反应或启动新的反应通道，以提高化学反应产率或获得新的化学反应产物。,1.1 声化学技术的应用,应用领域广,高盐份废水的净化,高表面活性废水的净化,挥发性污染物的净化,染料废水的脱色,难生化废水的预处理,生物炭的再生,污泥脱水,1.2 有关超声波的基本知识,超声波是频率在20KHz以上,由一系列疏密相间,的纵波构成。,20,几种物质的声速、密度和声阻,名称,声速,米/秒,密度,克/cm,3,声阻,克10,5,/厘米,2,秒,空气,340,0.00129,0.00043,水,1500,1.000,9,钛酸钡,5000,5.4,1.500,石蜡油,1420,0.835,27.000,铝,6400,2.7,1.186,人体软组织,1500,1.06,17.28,1.2.2 超声波的声场,介质受到超声振动能作用的区域叫超声声场,1.2.3 声压,声压，即声能的压力，代表超声波的强度。,超声传播时在稠密区产生正压，,在稀疏区产生负压。,1.2.4 声强 (超声功率强度),为单位时间内声能的强度，即在每秒内垂直通过每平方厘米面积的声能。W/cm,2,超声波在介质中传播时，巨大能量使介质质点产生很大的加速度,一般中等强度的声波通过水时，水分子获得的加速度只有重力加速度（约为9.8m/s）的,百分之几,如在频率为8001000KHz、声强为0.52W/cm,2,的超声波作用下，水分子得到的加速度可以超过重力加速度,510万倍,。,2.超声波降解机理,超声空化,热点理论,自由基理论,降解过程,2.1 超声空化,当超声波辐照液体时，会使液相分子间的吸引力在疏松的半周期内打破，形成空化泡，这一过程叫做超声空化。,空化分为瞬时空化和稳态空化。,声化学上利用的空化多为瞬时空化.,在,较大的声强(10W/cm,2,）,作用下，产生在一个声波周期内的空化，在声波负压相中，空化泡,迅速,扩大，在正压相中，被,迅速,压缩至崩溃。,2.2 热点理论,气泡快速崩溃时，产生瞬时的局部高温高压，即形成所谓的,“热点”,。,Nolfingk和Neppiras估计的高温高压为：1000K，1.01X10,9,Pa,Suslick估计的高温高压为：5500摄氏度，50662101325kPa,伴有强大的冲击波(均相)和时速400km的射流(非均相).,2.3 自由基理论,在空化气泡内,温度和压力很大,溶剂和环境气体裂解成原子或自由基,水转化为,、H,、氧原子,.降解过程,空化泡内,:存在高温,高压,自由基,可能发生直接热解和自由基反应,常温常压的水体溶液,:存在大量扩散的自由基和氧化剂,能发生氧化反应.,气液界面处,:有局部的高温和浓缩的自由基,仍可能发生热解和自由基反应;同时,高温高压的过渡区,可能存在瞬态,超临界水,发生超临界氧化,空化泡内,气液界面,水体溶液,超临界水,当温度和压力分别超过水分子的临界温度374摄氏度和临界压力2.20*10,7,Pa时,水分子处于一种超临界状态.,水的物化性质:粘度,电导,离子活度,溶度积,密度和热容。,在临界区发生突变,具有低的价电常数,高的扩散性,快的传输能力和良好的溶剂化特性,与非极性物质互溶.,一种理想的反应介质,有利于多数反应速率的提高.,降解的主要途径:,自由基氧化,高温热解,超临界水氧化,机械效应.,疏水性有机污染物,(主要是脂肪烃,卤代脂肪烃,卤代烃,氯氟代烃),易挥发,在空化泡形成过程中进入气泡内,气泡压缩崩溃时,高温高压使其热解.,亲水性有机污染物,(酚类,单环芳香族化合物,多氯联苯),在水环境,由扩散的自由基氧化降解.,影响因素,超声波的参数,超声频率,超声功率和声强,声能密度,反应器结构,水中的参数,溶解气体,界面特性,温度,pH,值,3.1 超声波参数的影响,3.1.1 超声频率,（超声频率效应与有机物的超声降解机理有关）,亲水性难挥发,：,频率 ，空化核半径，更多自由基逸出，有利。,频率太高，核内能量太少，自由基太少，不利。,存在一个优化值,憎水性易挥发,：,频率，声周期缩短，空化泡数目增加，效率增强。,Petrier等研究了20KHz，200KHz，500KHz，800KHz下，超声降解水体中苯酚和CCl,4,。结果：1.200Hz下，苯酚降解效果最好；2.CCl,4,降解速度随频率升高而增大，但 效果不明显。3.在任何频率下CCl,4,的降解速度都比苯 酚大。,3.1.2 声强的影响,当声强空化阈，才能产生空化效应,行波场,中空化阈=0.7W/cm,2,混响场,中空化阈=0.3W/cm,2,降解速率一般随声强的增大而增大，基本呈线性关系。,3.1.3 声能密度的影响,声能密度（W/cm,3,）：单位体积溶液被施加的超声能量。,一般来说，降解速度随声能密度增加而增大。,研究不多，研究范围0.1-10W/cm,3,3.1.4 反应器结构的影响,反应器结构的影响,反应器设计的目的就是在恒定功率条件下，尽可能提高混响场强度，增强空化效果。,改变波源位置和频率来增强反应器功能。,双频超声比单频超声空化效果好,平行比垂直效果好,聚焦和反射手段，提高了声能的利用率,3.2.1 溶解气体的影响,被,气体饱和,的水在超声作用下，其空化阈小于脱除气体的水。,空化泡崩溃时产生高温引起的化学反应与溶液中所,溶解气体的性质,有关。,3.2 水中的参数,气体比热比越大，t,max,越大，空化强度越强,气体溶解度越强，越容易压入液相，产生更多的空化核。,Ar的比热比大,Ar引入空化泡可减小HO.和H.结合成水,的机会,20kHz时，碘化钾的转化率,3.2.2 温度的影响,温度升高,水的表面张力和粘滞系数下降,蒸汽压升高,从而,空化阈下降,空化泡容易产生,随着温度升高,蒸汽压升高,且蒸汽压比温度升高快得多,这样空化泡崩溃产生的瞬时高温和高压均降低,空化强度,减弱.,温度存在最佳值,3.2.3 pH值的影响,有机物在水中存在的形式,分布系数发生改变,导致降解机理的改变.,碱性条件下，有机物以盐,的形式存在,则水溶性增加,挥发度降低,空度化泡内和气液界面处有机物浓度降低,Lin等人用超声波-H,2,O,2,技术降解2-氯酚时发现,pH为3时的氧化速率是pH=11时的6.6倍,pH对疏水性的易挥发的氯乙苯影响较小,而对亲水性的4-氯酚影响较大,3.2.4 共存离子的影响,K,+,Na,+,Ba,2+,等不参加反应,但增加液体离子浓度,有利于有机物积压到空化泡表面,.,Cl,-,HCO,3,-,CO,3,-,为自由基捕获剂,大大降低声解速率,Fe,3+,能与,H,2,O,2,构成,Fenton,试剂,增强超声氧化能力,有利,3.2.5 底物浓度和性质的影响,亲水性,疏水性,4 与其他工艺的结合,超声与其他高级氧化法结合,超声/化学氧化还原法结合,超声/生物法,超声/物理法,4.1 超声与高级氧化法结合,超声/臭氧法,超声/光化学法,超声/紫外/臭氧,超声/电解法,4.1.1 超声/臭氧法,4.1.2 超声/电解法,物理效应,空化产生的射流能够清洗电解质表面,加速液固传质,化学效应,泡内直接热解,或自由基氧化,4.2 超声与化学氧化还原法结合,超声与过氧化氢氧化法,超声/湿法氧化法,超声/元素铁还原法,4.3 超声/生物法,单独使用超声法成本高,生化法难于处理,先采用超声处理,提高生化降解性,再用常规的生化法处理,4.4 超声/物理法,吸附法是常用的水处理方法,但吸附剂的再生一直未得到很好的解决.,Rege等研究了在超声作用下,再生饱和酚的活性炭和高分子树脂,声空化引起的射流强化了酚的孔扩散速度,超声波可以防治膜污染,5.存在问题,降解物系适用性问题,经济性问题,反应器的放大问题,