超聲波水處理技術(shù)與工藝
二十世紀(jì)九十年代Mason進(jìn)行超聲空化降解水中的有害有機(jī)物的研究，研究證明，超聲降解水中有機(jī)物效果顯著，從而引起很多學(xué)者的興趣。美國(guó)、日本、加拿大、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)的一些大學(xué)實(shí)驗(yàn)室和研究所紛紛致力于超聲降解有機(jī)物的研究。我國(guó)二十世紀(jì)九十年代后期，對(duì)超聲降解有機(jī)物的研究，在同濟(jì)大學(xué)取得了很好的效果。迄今昔對(duì)比為止，超聲降解已進(jìn)行了包括脂肪烴類(lèi)、芳香烴類(lèi)、酚類(lèi)、酯類(lèi)、醇類(lèi)、酮類(lèi)、胺、酸類(lèi)、天然有機(jī)物究，取得了很好的效果。
超聲化學(xué)作為一門(mén)邊沿科學(xué)的興起是近沿科學(xué)的興起是近十幾年的事情。超聲作用于化學(xué)反應(yīng)，主要來(lái)自超聲空化現(xiàn)象，空化泡崩潰產(chǎn)生局部高溫、高壓和強(qiáng)烈的沖擊波及射流，為在一般條件下難以實(shí)現(xiàn)或不可能實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)提供了一種新的非常特殊的物理化學(xué)環(huán)境。
超聲作用于水處理，是近年來(lái)聲化學(xué)領(lǐng)域研究的新發(fā)展。
一、功率超聲機(jī)理
當(dāng)一定強(qiáng)度的超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等一系列效應(yīng)。這些效應(yīng)可歸納為下列三種基本作用：
1、機(jī)械作用。超聲波是機(jī)械能量的傳播形式，與波動(dòng)過(guò)程有關(guān)，會(huì)產(chǎn)生線(xiàn)性效變的振動(dòng)作用。超聲波液體中傳播時(shí)，其同質(zhì)點(diǎn)位移振幅雖然很小，但超聲引起的質(zhì)點(diǎn)加質(zhì)點(diǎn)位移振幅雖然很小，但超聲引起的質(zhì)點(diǎn)加速度卻非常大。若20KHz、1W/平方厘米的超聲波在水中傳播，則其產(chǎn)生的聲壓幅值為173Kpa，這意味著聲壓幅值每秒種內(nèi)要在正負(fù)173Kpa之間變化2萬(wàn)次，最大質(zhì)點(diǎn)的加速度達(dá)144萬(wàn)米每二次方秒，大約為重力加速度的1500倍，這樣激烈而快速變化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)就是功率超聲的機(jī)械振動(dòng)效應(yīng)。
2、空化作用。超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到一定期強(qiáng)度，液體中聲場(chǎng)作用區(qū)域形成局部的暫時(shí)負(fù)壓，使液體中的微氣泡生長(zhǎng)、澎脹至突然破裂，導(dǎo)致氣泡周?chē)囊后w中產(chǎn)生強(qiáng)烈的激波，形成局部點(diǎn)的高溫高壓，空化泡崩潰時(shí)，在空化泡周?chē)鷺O小空間內(nèi)產(chǎn)生5000K的瞬態(tài)高溫和約50mpa的應(yīng)。，在空化泡周?chē)鷺O小空間內(nèi)產(chǎn)生5000K的瞬態(tài)高溫和約50mpa的高壓，且溫度冷卻率達(dá)10的9次方k/s，并伴有強(qiáng)烈沖擊波和時(shí)速達(dá)400Km的射流，就是超聲空化效應(yīng)。
3、熱作用。超聲波在媒質(zhì)中傳播，其振動(dòng)能量不斷被媒質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏棺陨頊囟壬?。聲能不間斷的吸收可引起媒質(zhì)中的整體加熱，邊界外的局部加熱和空化形成激波時(shí)，波前處的局部邊界外的局部加熱和空化形成激波時(shí)，波前處的局部加熱等，這就是功率超聲的熱作用。
二、超聲化學(xué)機(jī)理
1、超聲催化。超聲催化反應(yīng)是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。目前，有關(guān)反應(yīng)模型、機(jī)理的研究尚很模糊，但眾多的科研成果確認(rèn)了催化反應(yīng)的顯著效果。其主要作用：一是高溫高壓條件有利于反應(yīng)物裂解成自由基和二階炭，形成更為活潑的物種。二是沖擊波和微射流對(duì)固體表面有吸解和清洗作用。三是沖擊波可破壞反應(yīng)物結(jié)構(gòu)，分散反應(yīng)物系。四是超聲空化導(dǎo)致金屬品格的變形和內(nèi)部應(yīng)變區(qū)的形成，從而提高金屬化學(xué)反應(yīng)活性。超聲條件下的反應(yīng)速率比沒(méi)有超聲時(shí)增加了100000倍，且反應(yīng)時(shí)間大且反應(yīng)時(shí)間大大縮短。
2、超聲降解。超聲處理可以降解大分子，尤其是處理高分子量聚合物的降解效果更顯著。超聲降解源于超聲的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)。
