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超声波水处理作用机理

一、功率超声机理

               当一定强度的超声波在媒质中传播时，会产生力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应。这些效应可归纳为下列三种基本作用：

               1、机械作用。超声波是机械能量的传播形式，与波动过程有关，会产生线性效变的振动作用。超声波液体中传播时，其同质点位移振幅虽然很小，超声引起的质点加质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加速度却非常大。若20KHz、1W/平方厘米的超声波在水中传播，则其产生的声压幅值为173Kpa，这意味着声压幅值每秒种内要在正负173Kpa之间变化2万次，最大质点的加速度达144万米每二次方秒，大约为重力加速度的1500倍，这样激烈而快速变化的机械运动就是功率超声的机械振动效应。
                  
               2、空化作用。超声波在液体媒质中传播时，当声强达到一定期强度，液体中声场作用区域形成局部的暂时负压，使液体中的微气泡生长、膨胀至突然破裂，导致气泡周围的液体中产生强烈的激波，形成局部点的高温高压，空化泡崩溃时，在空化泡周围极小空间内产生5000K的瞬态高温和约50mpa的应。，在空化泡周围极小空间内产生5000K的瞬态高温和约50mpa的高压，且温度冷却率达10的9次方k/s，并伴有强烈冲击波和时速达400Km的射流，就是超声空化效应。  
                  
               3、热作用。超声波在媒质中传播，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使自身温度升高。声能不间断的吸收可引起媒质中的整体加热，边界外的局部加热和空化形成激波时，波前处的局部边界外的局部加热和空化形成激波时，波前处的局部加热等，这就是功率超声的热作用。

二、超声化学机理

                 1、超声催化。超声催化反应是一个新兴的研究领域。目前，有关反应模型、机理的研究尚很模糊，但众多的科研成果确认了催化反应的显著效果。其主要作用：一是高温高压条件有利于反应物裂解成自由基和二阶炭，形成更为活泼的物种。二是冲击波和微射流对固体表面有吸解和清洗作用。三是冲击波可破坏反应物结构，分散反应物系。四是超声空化导致金属品格的变形和内部应变区的形成，从而提高金属化学反应活性。超声条件下的反应速率比没有超声时增加了100000倍，且反应时间大且反应时间大大缩短。
                  
               2、超声降解。超声处理可以降解大分子，尤其是处理高分子量聚合物的降解效果更显著。超声降解源于超声的机械效应、空化效应和热效应。

三、超声水处理机理

                 功率超声的空化效应为降解水中有害有机物提供了独特的物理化学环境从而导致超声波污水处理目的的实现。超声空化泡的中有害有机物提供了独特的物理化学环境从而导致超声波污水处理目的的实现。超声空化泡的崩溃所产生的高能量足以断裂化学键。在水溶液中，空化泡崩溃产生氢氧基（OH）和氢基（H），同有机物发生氧化反应。空化独特的物理化学环境开辟了新的化学反应途径，骤增化学反应速度，对有机物有很强的降解能力，经过持续超声可以将有害有机物降解为无机离子、水、二氧化碳或有机酸等无毒或低毒的物质。

                 超声降解水中有机污染物技术既可单独使用，也可利用超声空化效应，将超声降解技术同其他处理技术联用进行有机污染物的降解去除。

                   超声波技术主要是指利用超声波来加速化学反应，提高化学反应产率。目前，对超声波技术降解水中污染物机理的认识主要是空化理论和自由基氧化机理，超声波对有机物的降解不是直接的声波作用，因为在液体中波长0.015~10 cm(相当于15kHz~10 MHz)远远大于分子的尺寸，和液体中产生的空化气泡的崩灭有密切关系。

                 超声波通过液体介质向四周传播，当声能足够高时，在疏松的半周期内，液相分子间的吸引力被打破，形成空化核。空化核的寿命约为0.1μs，它在爆炸的瞬间可以产生大约4 000K和100MPa的局部高温高压环境，并产生速度约110 m/s的具有强烈冲击力的微射流。然后该热点随之冷却，冷却率达109 K/s，并在液体中伴有强大的冲击波，水分子在热点达到超临界状态，并分解成羟基自由基、超氧基等。这些条件足以使有机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解或自由基反应，为有机物的降解创造了一个极端的物理环境。

一、什么是超声波

             声波是属于声音的类别之一，属于机械波，声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz-20KHz。当声波的频率低于16KHz时就叫做次声波，高于20KHz则称为超声波声波。

               超声波具有如下特性：
　　
               1） 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。
　　
               2） 超声波可传递很强的能量。
　　
               3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。
　　
               4） 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。

               声化学是一门新兴的交叉学科, 超声作用于水处理，是近年来声化学领域研究的新发展。超声化学作为一门边沿科学的兴起是近沿科学的兴起是近十几年的事情。超声作用于化学反应，主要来自超声空化现象，空化泡崩溃产生局部高温、高压和强烈的冲击波及射流，为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种新的非常特殊的物理化学环境。
  
               超声波技术是指利用频率比人耳所能听到的频率范围更高(即>18 kHz)的声波作为对象的声化学方法，利用超声波来加速化学反应,提高化学反应产率。声化学反应是通过声空化过程实现的。声空化把声场能量集中起来,然后伴随空化泡崩溃而在极小的空间内将其释放出来,使之在正常温度与压力的液体环境中产生异乎寻常的高温(高于5 000 K)和高压(高于5×107 Pa),形成“热点”(Hotspot),从而开辟化学反应通道,增大化学反应速率。

               自1883年Galton首次研究出人造超声波换能器以来,超声波技术被广泛地应用到检测、钻孔、清洗、乳化、化学处理等方面。其应用分为高频低强度和低频高强度两类:前者声功率范围很宽,一般为数微瓦,主要应用于超声波测试;后者能量集中,声功率可以达到上千瓦,可使介质产生剧烈振动从而引起介质变形或发生化学变化。

               当一定强度的超声波通过媒体时，会产生一系列的物理、化学效应。早在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10年的事情，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Coventry大学的T. J. Mason和法国PualSabater大学的Luche先后于20世纪90年代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。从而引起很多学者的兴趣。美国、日本、加拿大、德国、法国等国的一些大学实验室和研究所纷纷致力于超声降解有机物的研究。我国二十世纪九十年代后期，对超声降解有机物的研究。迄今为止，超声降解已进行了包括脂肪烃类、芳香烃类、酚类、酯类、醇类、酮类、胺、酸类、天然有机物究，取得了很好的效果。

               利用超声技术降解水中的化学污染物,尤其是难降解的有机污染物是近几年来发展起来的新型水处理技术,尤其是废水中难降解有机污染物的治理,目前已取得了不错的结果。它具有去除效率高、反应时间短、设施简单、占地面积小等优点。近年来,超声技术在处理微污染水、高浓度难降解的有机废水、污泥以及饮用水杀菌、消毒和工业废水的阻垢、除垢等方面的研究,已取得了较大的成果。与紫外线、热、压力、化学等处理方法相比,超声波对污染物的处理更直接,对设备的要求更低。