超声波技术 报告人:彭晓云 指导老师:胡翔博士
超声波技术 报告人： 彭晓云 指导老师：胡翔 博士
前言 1929年就有超声波化学效应的报道,而将其应用于 水处理领域只是近10a的事情。它主要用来加速降解 水中难降解的有毒有机污染物,是一种高级催化氧化 水处理技术 英国开展了应用超声声化学降解水体中难降解有毒有 机物的研究,并取得良好的效果。随后印度、法国与 比利时等国纷纷致力于这方面的研究,做了大量的工 国内自1996年开始了此类工作的研究
前言 ◼ 1929年就有超声波化学效应的报道，而将其应用于 水处理领域只是近10a的事情。它主要用来加速降解 水中难降解的有毒有机污染物，是一种高级催化氧化 水处理技术 ◼ 英国开展了应用超声声化学降解水体中难降解有毒有 机物的研究，并取得良好的效果。随后印度、法国与 比利时等国纷纷致力于这方面的研究，做了大量的工 作。 ◼ 国内自1996年开始了此类工作的研究
机理 ■热点理论模型 定频率和声强的超声波辐射溶液时,在声波 负压相作用下产生大小仅为几个至几十个s的空化 泡,在随后声波正压相作用下迅速崩溃,整个过程发 生在ns-μs时间内,气泡快速崩溃伴随着气泡内蒸 汽绝热加热,产生大约4000K和100MPa的局部高温 高压环境,即形成所谓“热点”。并产生速度约 110m/s具有强烈冲击力的微射流
一、机理 ◼ 热点理论模型 当一定频率和声强的超声波辐射溶液时，在声波 负压相作用下产生大小仅为几个至几十个µs的空化 泡，在随后声波正压相作用下迅速崩溃，整个过程发 生在ns—µs时间内，气泡快速崩溃伴随着气泡内蒸 汽绝热加热，产生大约4000K和100MPa的局部高温 高压环境，即形成所谓“热点” 。并产生速度约 110m/s具有强烈冲击力的微射流
机理 自由基氧化 反应产生H2O2和·OH自由基,具有很强的氧化 性,化学性质活泼 髙温热解 对于易挥发的有机物,高温高压下发生热裂解断 键 超临界水氧化 具有低介电常数、高扩散性及高传输能力等特性, 是一种理想的反应介质,有利于大多数化学反应速 率的增
机理 ◼ 自由基氧化 反应产生Ｈ2Ｏ2和·ＯＨ自由基，具有很强的氧化 性，化学性质活泼 ◼ 高温热解 对于易挥发的有机物 ，高温高压下发生热裂解断 键 ◼ 超临界水氧化 具有低介电常数、高扩散性及高传输能力等特性， 是一种理想的反应介质，有利于大多数化学反应速 率的增加
反应区域 ■空腔内部 空化气体、水蒸气及易挥发有机溶质蒸气的 混合物组成,大部分自由基反应在此相进行 ■界面区域 围绕气相的一层很薄的超热液相层,呈超临 界状态,极易发生非常规反应 本体溶液 羟基自由基反应可继续在该条件下反应
反应区域 ◼ 空腔内部 空化气体、水蒸气及易挥发有机溶质蒸气的 混合物组成，大部分自由基反应在此相进行 ◼ 界面区域 围绕气相的一层很薄的超热液相层，呈超临 界状态,极易发生非常规反应 ◼ 本体溶液 羟基自由基反应可继续在该条件下反应
二、影响因素 ■超声系统因素 声强、频率、功率 ■溶液性质影响因素 温度、pH值、饱和气体 反应器结构因素 ■催化剂因素 氧化性物质、 Fenton试剂
二、影响因素 ◼ 超声系统因素 声强、频率 、功率 ◼ 溶液性质影响因素 温度、pH值 、饱和气体 ◼ 反应器结构因素 ◼ 催化剂因素 氧化性物质 、Fenton试剂
声强 超声波的声强即超声功率,一般以单位辐照 面积上的功率来衡量(W/cm2) ■在一定范围内,超声降解反应的速率随功率 强度的增大而增加 但超过极值后,降解速度随之而降低。 原因:空化泡会在声波的负相长得很大,上升而 逸出水面,这样系统利用超声能会降低, 致使降解率减小
声强 ◼ 超声波的声强即超声功率，一般以单位辐照 面积上的功率来衡量(W/cm2 ) ◼ 在一定范围内，超声降解反应的速率随功率 强度的增大而增加 ◼ 但超过极值后，降解速度随之而降低。 原因：空化泡会在声波的负相长得很大，上升而 逸出水面，这样系统利用超声能会降低， 致使降解率减小
温度 在一定范围内适当的提高温度有利于提高超声降解的 效率,15℃到30°C 温度过高超声降解效率下降 溶液表面容易有雾化现象,液体中的气泡大量增多, 液面的反射能力削弱,声波散射损耗大大加强,减 了声强的利用率; 由于溶液中氧气的减少,导致空化过程中气泡核通过 热损失的能量增加,从而使空化效应减弱
温度 ◼ 在一定范围内适当的提高温度有利于提高超声降解的 效率，15℃到30℃ ◼ 温度过高超声降解效率下降 ➢ 溶液表面容易有雾化现象，液体中的气泡大量增多， 液面的反射能力削弱，声波散射损耗大大加强，减少 了声强的利用率； ➢ 由于溶液中氧气的减少，导致空化过程中气泡核通过 热损失的能量增加，从而使空化效应减弱
pH值 溶液的PH值调节应尽量有利于有机污染物以中性分 子的形态存在 当溶液pH值较小时(小于有机物质的离解常数pK a),有机物质在水溶液中以分子形式存在为主容易接 近空化泡的气液界面并可以蒸发进入空化泡内, 当溶液pH值较大时(大于pKa),有机物质发生电 离以离子形式存在于溶液中,不能蒸发进入空化泡内 只能在空化泡的气液界面上和本体溶液中同自由基发 生氧化反应,降解效率较低
pH值 ◼ 溶液的PH值调节应尽量有利于有机污染物以中性分 子的形态存在 ◼ 当溶液ｐＨ值较小时(小于有机物质的离解常数ｐＫ ａ),有机物质在水溶液中以分子形式存在为主,容易接 近空化泡的气液界面,并可以蒸发进入空化泡内, ◼ 当溶液ｐＨ值较大时(大于ｐＫａ),有机物质发生电 离以离子形式存在于溶液中,不能蒸发进入空化泡内, 只能在空化泡的气液界面上和本体溶液中同自由基发 生氧化反应,降解效率较低
反应器结构因素 反应器构造在很大程度上影响声场的分布,从 而影响空化泡的产生与分布最终反映为声化 学反应速率的变化 探头直接淹没式:声强较高而作用范围较窄。 那么,当探头截面积增大,声场分布趋于均布 通过换能器与反应器表面耦合传递机械振动 式
反应器结构因素 ◼ 反应器构造在很大程度上影响声场的分布,从 而影响空化泡的产生与分布,最终反映为声化 学反应速率的变化。 ◼ 探头直接淹没式：声强较高而作用范围较窄。 那么,当探头截面积增大,声场分布趋于均布 ◼ 通过换能器与反应器表面耦合传递机械振动 式