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1、(Technology of Ultrasound)目 录 简介简介 超声超声作用机理作用机理 影响超声作用的因素影响超声作用的因素 超声技术在废水处理中的应用超声技术在废水处理中的应用 超声联用技术超声联用技术次声波（频率次声波（频率 20Hz）声波（声波（20 Hz 频率频率 20 kHz）超声波（频率超声波（频率20 kHz）什么叫超声波？超声技术的三大作用机理超声技术的三大作用机理:1.空化理论空化理论 2.自由基氧化自由基氧化 3.超临界水氧化超临界水氧化P0P0PP静压力静压力P0平衡平衡处于稳定状态处于稳定状态P=Pus-P0大量不同粒径的空化气泡大量不同粒径的空化气泡稀疏相密实
2、相密实相超声作用机理超声作用机理空化现象空化现象当足够大声压的超声波作用于液体介质时，在当足够大声压的超声波作用于液体介质时，在负压区内介质分子间的平均距离会超过液体介负压区内介质分子间的平均距离会超过液体介质保持不变的临界分子距离，使得液体介质断质保持不变的临界分子距离，使得液体介质断裂，形成微泡的过程称之为空化现象。形成的裂，形成微泡的过程称之为空化现象。形成的微小气泡，即空化泡。微小气泡，即空化泡。空化气泡超声作用机理超声作用机理空化现象空化现象P=Pus-P0当P=0时，即Pus=P0使液体产生空化泡的最低声强或声压幅称为空化阈。使液体产生空化泡的最低声强或声压幅称为空化阈。超声作用机
3、理超声作用机理空化阈空化阈超声作用机理超声作用机理空化理论空化理论 当在比较小的声压激发下产生的空化为稳态空化。当在比较小的声压激发下产生的空化为稳态空化。对于稳态空化，气泡以其平衡半径剧烈的非线性对于稳态空化，气泡以其平衡半径剧烈的非线性振荡。振荡。对于稳态空化，其气泡一般不发生激烈地崩溃过对于稳态空化，其气泡一般不发生激烈地崩溃过程，当其非线性振荡较为强烈时，也会伴随而来一程，当其非线性振荡较为强烈时，也会伴随而来一些效应，如在气泡界面上，由于高速度梯度引起的些效应，如在气泡界面上，由于高速度梯度引起的微射流，从而造成一定的粘滞应力来影响附近存在微射流，从而造成一定的粘滞应力来影响附近存在
4、的细胞或大分子。的细胞或大分子。超声作用机理超声作用机理空化理论空化理论P+USP+USP+USP+US瞬态空化示意图瞬态空化示意图超声作用机理超声作用机理空化理论空化理论空化泡生长标识图空化泡生长标识图气泡的形成、成长与崩溃气泡的形成、成长与崩溃超声作用机理超声作用机理空化理论空化理论1max1rrmggPrPPPNeppiras“热点热点”理论可得：理论可得：（1）空化泡内最大压力空化泡内最大压力 Pmax 空化泡内最大压力；空化泡内最大压力；Pg 起始半径时泡内的压力；起始半径时泡内的压力；Pm 空化泡在崩溃过程中受到的总压力；空化泡在崩溃过程中受到的总压力；r 气体的比热比气体的比热比
5、值值。超声作用机理超声作用机理空化理论空化理论maxmin1mgPrTTP（2）瞬态空化泡崩溃时泡内最高温度瞬态空化泡崩溃时泡内最高温度Tmax Tmax 瞬态空化泡崩溃时泡内最高温度；瞬态空化泡崩溃时泡内最高温度；Tmin 环境温度。环境温度。超声作用机理超声作用机理空化理论空化理论超声作用机理超声作用机理空化理论空化理论稳态空化稳态空化瞬态空化瞬态空化只是发生一系列非线性只是发生一系列非线性的振动，无崩溃现象的振动，无崩溃现象产生气泡快速崩溃现象，产生气泡快速崩溃现象，产生瞬时的局部高温高压产生瞬时的局部高温高压超声作用机理超声作用机理空化理论空化理论 空化泡绝热崩溃时产生的高温高压空化泡
6、绝热崩溃时产生的高温高压（5500和和50662101325 kPa）足以使）足以使H2O分子（水分子中分子（水分子中O-H键能为键能为500 kJ/mol）分解为分解为H和和OH自由基：自由基：H2O H+OH空化泡崩溃空化泡崩溃高温、高压高温、高压超临界水氧化超临界水氧化空化气泡OHO2OHH自由基氧化自由基氧化超临界膜自由基氧化自由基氧化空化理论空化理论1.机械剪切作用机械剪切作用在含有有机物的多相体系中，由于空化泡在含有有机物的多相体系中，由于空化泡崩溃时会使传质的质点产生很大的瞬时速崩溃时会使传质的质点产生很大的瞬时速度和加速度，引起剧烈的振动。振动在宏度和加速度，引起剧烈的振动。振
7、动在宏观上表现出强大的液体力学剪切力，使得观上表现出强大的液体力学剪切力，使得大分子主链上碳键产生断裂，而起到降解大分子主链上碳键产生断裂，而起到降解高分子的作用。高分子的作用。2.絮凝作用絮凝作用超声波对混凝具有促进作用，因为当超声波通过超声波对混凝具有促进作用，因为当超声波通过有微小絮体颗粒的液体介质时，其中的悬浮粒子有微小絮体颗粒的液体介质时，其中的悬浮粒子开始与介质一起振动，但由于大小不同的粒子具开始与介质一起振动，但由于大小不同的粒子具有不同的振动速度，颗粒将相互碰撞、粘合，体有不同的振动速度，颗粒将相互碰撞、粘合，体积增大，最后沉淀下来。积增大，最后沉淀下来。水溶液中的超声作用是以
8、上几种过程的协同作用。水溶液中的超声作用是以上几种过程的协同作用。原理：原理：由超声波发生器发出的高频由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，使液体流机械振荡而传播到介质，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化气泡）在于液体中的微小气泡（空化气泡）在声场的作用下振动，当声压达到在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破在其周围产生上千
9、个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当粒子被油污裹着而粘附在液中，当粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。化的目的。超声场主要是指超声频率和声强。超声场主要是指超声频率和声强。声能强度：声能强度：单位声发射端面积在单位时间内辐射至单位声发射端面积在单位时间内辐射至反应系统中的总声能。又称超声功率强度，简称声反应系统中的总声能。又称超声功率强度，简称声功率。功率。以单位辐照面积上的功率来衡量（以单位辐照面积上的功率来衡量（W/cm2）。）。
10、一般地，当超声波的频率一定时，超声波的强度增一般地，当超声波的频率一定时，超声波的强度增加，超声化学效应也增强。但是，降解速率随声强加，超声化学效应也增强。但是，降解速率随声强的增大存在一极大值，当超过极大值，降解速率随的增大存在一极大值，当超过极大值，降解速率随声强的增大而减小。声强的增大而减小。1max1rrmggPrPPPmaxmin1mgPrTTP瞬间的最高温度瞬间的最高温度(T(Tmaxmax)瞬间的最高压力瞬间的最高压力(P(Pmaxmax)Neppiras“热点热点”理论可得：空化泡发生崩溃时理论可得：空化泡发生崩溃时用空气和氩气饱和的聚苯乙用空气和氩气饱和的聚苯乙烯的超声降解曲
11、线烯的超声降解曲线用空气和脱气的聚苯乙烯的用空气和脱气的聚苯乙烯的超声降解曲线超声降解曲线氩气空气空气脱气聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯1max1rrmggPrPPPmaxmin1mgPrTTP从从Neppiras“热点热点”理论公式很容易看出：液体蒸理论公式很容易看出：液体蒸汽压升高，即汽压升高，即Pg增大增大,则则Pmax和和Tmax均会迅速降低，均会迅速降低，从而减弱空化效应。从而减弱空化效应。整体式整体式分体式分体式高分子有机物的降解作高分子有机物的降解作用主要发生在开始的一用主要发生在开始的一段时间内，反应到一定段时间内，反应到一定的时间后，其超声降解的时间后，其超声降解反应与超声
12、聚合反应达反应与超声聚合反应达到平衡，表现出高分子到平衡，表现出高分子化合物的分子量不再有化合物的分子量不再有很大的降低。很大的降低。综上所述，提高有机污染物降解速率和降解程综上所述，提高有机污染物降解速率和降解程度应尽量遵循以下原则：度应尽量遵循以下原则：CS2是一种有毒物质是一种有毒物质，而且它在水环境中，而且它在水环境中还可以分解成氧硫化还可以分解成氧硫化碳（碳（OCS）和硫化氢）和硫化氢（H2S），对环境污），对环境污染严重。超声降解染严重。超声降解CS2的实验装置如右的实验装置如右图所示。图所示。污 染 物换 能 器换能器前加装聚能片换能器前加装聚能片,以获以获得较强声强。超声频率得
13、较强声强。超声频率f=20kHZ，输入电功率，输入电功率P=0500W可调，超声可调，超声探头直径探头直径5mm，探头插入，探头插入液面下液面下1.5cm，玻璃器皿，玻璃器皿反应容器有效容积反应容器有效容积40mL。无水浴降温措施，不调节无水浴降温措施，不调节水样的水样的pH值。值。1.降解率随着超声辐照时降解率随着超声辐照时间的延长而增大。间的延长而增大。2.增大超声波功率、声强增大超声波功率、声强和变幅杆直径，可以显著和变幅杆直径，可以显著提高甲胺磷的降解率，提高甲胺磷的降解率，25mm时可达时可达 61.7%。3.溶液初始溶液初始 pH 值的影响值的影响显著，酸性条件有利于甲显著，酸性条
14、件有利于甲胺磷降解。胺磷降解。C O DC r初 始 浓 度 为初 始 浓 度 为 807mg/L和初始和初始 pH 值值为为 8.17 的焦化废水，在的焦化废水，在温度为温度为 25的条件下，的条件下，经 声 能 密 度 为经 声 能 密 度 为 0.2 2 0 W/cm2 的超声波辐照并的超声波辐照并进 行 同 时 曝 气 作 用进 行 同 时 曝 气 作 用 240min 后后,废水中废水中 C O DC r的 降 解 率 为的 降 解 率 为 76.89%。焦化废水超声处理前的色谱-质谱图焦化废水超声处理后的色谱-质谱图1.适用性：适用性：现有研究多为实验室的单组分模拟体系，超现有研究
15、多为实验室的单组分模拟体系，超声技术是否能有效处理实际废水，有待进一步研究；声技术是否能有效处理实际废水，有待进一步研究；2.工程性：工程性：研究多处于实验室阶段，降解机理、反应动研究多处于实验室阶段，降解机理、反应动力学、反应器设计放大等方面的研究开展不充分，缺少力学、反应器设计放大等方面的研究开展不充分，缺少定量化放大准则；定量化放大准则；3.经济性：经济性：能量利用率低，费用高，需要进一步通过参能量利用率低，费用高，需要进一步通过参数优化改进反应器结构，提高降解效率，降低成本。数优化改进反应器结构，提高降解效率，降低成本。US/O3处理含酚废水实验处理含酚废水实验超声联用技术超声联用技术
16、US/H2O2实验结果表明：超声辐射实验结果表明：超声辐射可以在双氧水和亚铁离子可以在双氧水和亚铁离子体系氧化过程中起加速反体系氧化过程中起加速反应的作用，而且随着超声应的作用，而且随着超声功率的增大，加速反应的功率的增大，加速反应的能力增强；实验条件下废能力增强；实验条件下废水初始水初始pHpH为为4 46.86.8，初始，初始双氧水浓度为双氧水浓度为140mg/L140mg/L时时酚去除效果最佳。酚去除效果最佳。超声光催化发生器示意图 声电联合降解苯胺试验装置 超声空化效应可使有机反超声空化效应可使有机反应物和反应产物在三维电极应物和反应产物在三维电极表面上进行扩散的速度加快；表面上进行扩散的速度加快；电极活性下降到一定程度电极活性下降到一定程度后用超声波处理以消除电极后用超声波处理以消除电极表面的杂质，使电极复活；表面的杂质，使电极复活；超声还可使有机物在水溶超声还可使有机物在水溶液中充分扩散，从而大幅度液中充分扩散，从而大幅度提高反应器的处理效率。提高反应器的处理效率。渗滤液渗滤液超声气浮超声气浮SBR生化处理生化处理加氯消毒加氯消毒外排外排污泥浓缩污泥浓缩回填埋场回填埋场 声
