《当代水处理技术》课程论文

题 目: 超声波空化氧化降解苯系污染物

系 别： 环境与设备工程系

专 业： 环境工程

班 级： 环境工程0704

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成 绩：

交稿日期：

目录

摘　要 2

关键词 2

1. 超声波反应机理： 3

2. 超声波反应的影响因素 4

2. 1 液体的性质 4

2. 2 溶解气体的影响 4

2. 3 超声功率强度 5

2. 4 超声波频率 5

2. 5 温度 5

2. 6 辐照时间 6

3. 实验部分 6

3.1 实验仪器及设备 6

3.2 实验药品及试剂 6

3.3 实验方法 6

4. 实验结果与讨论 7

4.1 辐照时间的影响 7

4.11 实验方法 7

4.12 实验步骤 7

4.2 温度对降解率的影响 7

4.21 实验方法 7

4.22 实验步骤 8

4.3 初始浓度的影响 8

4.31 实验方法 8

4.32. 实验步骤 8

4.4 PH 值对降解率的影响 8

4.41 实验方法 8

4.42 实验步骤 8

4.5 添加H2O2 对降解率的影响 9

4.51 实验方法 9

4.52 实验步骤 9

4.6 频率的影响 9

4.61 实验方法 9

4.62 实验步骤 9

4.7 功率的影响 10

4.71 实验方法 10

4.72 实验步骤 10

4.8 空化气体的影响 10

4.81 实验方法 10

4.82 实验步骤 11

5. 参考文献 11

超声波空化氧化降解苯系污染物的实验研究方案

超声波降解废水中十二烷基苯磺酸钠的实验研究

【摘　要】: 通过超声波作用于废水中的十二烷基苯磺酸钠(DBS) 试验,讨论了辐照时间、溶液温度、溶液初始浓度、pH 值、外加H2O2、空化气体的影响、频率的影响、功率的影响等因素对DBS 降解效果的影响。结果表明:DBS 的降解率随辐照时间的延长而增加;溶液温度在低于60 ℃时,DBS 的降解率随温度的升高而增加,高于60 ℃降解率随温度的升高反而降低;溶液初始浓度增大降解率增加;溶液pH 对降解率影响不大;外加H2O2 可明显提高DBS 降解率; 增多超声波频率会使降解率降低; 增大功率会使降解率降低; 充入气体使降解率提高，且不同的气体提高的降解率不同。

【关键词】: 超声波; 降解; 十二烷基苯磺酸钠

【正文】：

前言：水作为宝贵的自然资源,是人类赖以生存的必备物质。由于严重的水体污染,可供使用的淡水资源显著减少。苯系物是环境优先检测的一类污染物之一,如苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)是毒性很强的致癌物 ,有可能导致白血病、淋巴瘤等恶性疾病,其分析监测越来越受到关注。

DBS 阴离子表面活性剂作为洗涤剂、乳化剂在人们日常生活及工业生产中大量广泛使用。烷基苯磺酸钠盐是阴离子表面活性剂中占主导地位的品种。苯磺酸钠盐比较稳定,特别是支连烷基苯磺酸钠盐(TPS) 生化降解性能很差,这样阴离子表面活性剂作为一种难降解的有机污染物随生活污水、工业废水排入江河而带来环境问题。如何快速、有效的降解废水中的有机污染物,是当前环境治理的难点,也是环境工作者研究的重要课题。60 年代由美国学者Richarad 首次报道,90 年代兴起的超声空化降解水中污染物的研究,给处理废水中的有毒有机物提供了广阔的前景。这种超声空化的降解方法,由于其低能耗、无污染(或少污染) 且经济有效,已引起人们的高度重视。超声波由于能产生气穴,从而能氧化分解传统方法所不能处理的废水。其降解条件温和,降解速度快,适用范围广,可以单独或与其他水处理技术联合使用,是一种极具发展潜力和应用前景的技术。20 世纪90 年代以来,国外开始研究将超声波应用于水污染控制,尤其是废水中难降解有毒有机污染物的治理,并取得了一定进展。

1. 超声波反应机理：

超声波对有机物的降解并不是来自声波与有机物分子的直接作用,其动力来源是声空化。声波是由一系列疏密相间的纵波构成,并通过液体介质向周围传播。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4 000 K和100 MPa 的局部高温高压环境,并产生速度约110 m/ s 具有强烈冲击力的微射流,这种现象称为超声空化[1 ] 。这些条件为在一般条件下难以实现的化学反应提供了一种非常特殊的物理环境,打开了化学反应的通道,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。超声降解有机物的机理可主要归结为如下3 个方面:

(1) 热分解。热分解发生在空化泡内,可以将进入空化泡中的液体分子或溶于水的有机物汽化,聚集在空化泡内的能量足以将难断裂的化学键打断。

(2) H·和·OH 自由氧化。在水溶液中主要的热反应是将水分子分解,空化泡内产生具有较高活性的H·和·OH自由基,它们进入水溶液与水中的有机物进行接触并将有机物氧化。在空化泡内主要是热分解而在空化泡外的主要是自由基氧化。

(3) 等离子化学和高级氧化。在空化泡的内表面上,其温度和压力都超过了临界条件,超临界流体具有类似气体的良好的流动性,同时又有远大于气体的密度,因此具有许多独特的理化性质。

现将超声波应用于十二烷基苯磺酸钠(DBS) 水溶液的降解,探讨了辐射时间、初始浓度、温度、pH 值、外加H2O2 、空化气体、频率、功率等因素对DBS 降解效果的影响。

2. 超声波反应的影响因素

超声波反应中,被分解化合物的性质是决定反应进程的主要因素,而其他反应条件对反应进程也有不同程度的影响。

2. 1 液体的性质

液体的性质如溶液粘度、表面张力、pH 值以及盐效应都会影响溶液的超声空化效果。当溶液粘度增加时,声能在溶液中的粘滞消耗和声能衰减加剧,辐射入溶液中的有效声能减小,溶液发生空化现象变得困难,空化强度减弱。因此,粘度太高不利于超声降解。随着表面张力的增加,空化核生成困难,但它爆炸时产生的极限温度和压力升高,有利于超声降解。对于有机酸碱性物质的超声降解,溶液pH 值具有较大影响。超声降解发生在空化核内或空化气泡的气液界面处。因此,溶液的pH值调节应尽量有利于有机物以中性分子的形态存在,并易于挥发进入气泡核内部。在溶液中加入盐,能改变有机物的活度性质,且加盐后水相中离子强度增加,更多的有机物被驱赶到气2液界面,改变了有机物在气2液界面相与本体液相之间浓度的分配,从而影响超声降解速率。

2. 2 溶解气体的影响

溶解气体对超声降解速率和降解程度的影响主要有两方面的原因: ①溶解气体对空化气泡的性质和空化强度有重要的影响; ②溶解气体如N2 、O2 产生的自基也参与降解反应过程,从而影响反应机理和降解反应的热力学和动力学行为。在超声降解过程中,使用单原子稀有气体能提高降解的速率和程度。

2. 3 超声功率强度

超声功率强度一般以单位辐照面积上的功率来衡量(W/ cm2) 。超声降解反应的速率一般总是随功率强度的增大而增加。但功率强度过高会适得其反,声能太大,空化泡会在声波的负相长得很大而形成声屏蔽,使系统可利用的声场能量反而降低,降解速度下降。

功率作为超声波的一个重要参数，对有机物降解率的影响十分显著。在辐照面积一定的条件下，增大功率意味着提高声强，有利于强化空化效应。当超声功率大于800W 时有机物降解率提高明显。但是，对超声降解氯化物的研究表明，超声波功率或声强过高反而会抑制空化气泡的生成与溃陷，降低反应系统对超声能量的有效吸收，于污染物降解不利。因而对于一个特定的物系，功率的提高可能存在一个临界值,有关规律尚待进一步探讨。

2. 4 超声波频率

高频超声波有助于提高超声降解速度,这是由于·OH 自由基的产率随声源频率增加而增加。事实上,在超声降解过程中,超声强度和频率之间可能有一个最佳匹配问题,而且频率的选择与被降解有机物的结构、性质以及降解历程有关,并不是在所有情况下高频超声波都是有利于降解的。因此,工业上应用的功率超声的频率一般均低于60 kHz。另外,随着超声波频率的升高,超声波功率强度将下降, 增大超声波频率会提高空化阈值，导致溶液体系膨胀和压缩的循环时间变短，抑制空化气泡产生，削弱空化，从而降低超声降解的速率。

2. 5 温度

温度对超声空化的强度和动力学过程具有非常重要的影响,从而造成超声降解的速率和程度的变化。温度升高会导致气体溶解度减小,表面张力降低和饱和蒸汽压增大,这些变化对超声空化是不利的。一般声化学效率随温度的升高呈指数下降,因此,声化学过程在低温下进行较有利。

在一定的温度范围内,升高温度有利于提高反应速率,对降解有利,但超声诱导降解主要是空化效应引起的,温度过高在声波负压半周期内会使水沸腾而减少空化效应产生的高压,并且泡内产生的高温也会因充满水汽而下降,使超声降解的效果减弱,故降解率降低。实验温度控制在60 ℃左右对降解比较有利。

2. 6 辐照时间

随着辐照时间的延长降解率逐渐增加,在前55 min 降解率增加幅度较大,辐照75 min 后,降解率达到 70%左右。辐射时间的延长,体系经辐射产生的空化泡及进入空化泡的水蒸气、氧气裂解而产生的·OH、·H 自由基增多,有机物在空化泡中热解或受·OH、·H 自由基攻击而降解的量都会增加。所以降解率增加。

研究方案

现将超声波应用于十二烷基苯磺酸钠(DBS) 水溶液的降解,探讨了辐射时间、初始浓度、温度、pH 值、外加H2O2 、空化气体、频率、功率等因素对DBS 降解效果的影响。

3. 实验部分

3.1 实验仪器及设备

721 型分光光度计,上海分析仪器四厂;超声波清洗器(KT —50W,内设一个换能器) ,山东永兴科研仪器发展有限公司。

3.2 实验药品及试剂

磷酸二氢钠(AR 级) ,重庆无机化学试剂厂;30 %过氧化氢(AR 级) ,重庆东方化学试剂厂;十二烷基苯磺酸钠(DBS) (CP 级) ,上海化学试剂三厂;异丙醇(AR 级) ,重庆化学试剂厂;亚甲基蓝(AR 级) ,上海化学试剂三厂。

3.3 实验方法

取一定量DBS 于100 ml容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度。将容量瓶置于超声波清洗器正中心,且容量瓶底部距超声槽底4 cm。在一定条件下,经超声辐射一定时间后,用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。溶液的pH 值用1 mol/ L NaOH和0. 5 mol/ L H2SO4 调节。

4. 实验结果与讨论

对实验结果进行分析，并绘图进行比较，总结出超声波应用于十二烷基苯磺酸钠(DBS) 水溶液的降解的最佳辐射时间、初始浓度、温度、pH 值、外加H2O2 、空化气体、频率、功率等因素的最佳适用条件。

4.1 辐照时间的影响

4.11 实验方法

在一定条件下,采用相同浓度的DBS溶液，经辐射不同时间后,用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。溶液的pH 值用1 mol/ L NaOH和0. 5 mol/ L H2SO4 调节。

4.12 实验步骤

⑴ 取一定量DBS置于10个100 ml容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度。将容量瓶置于超声波清洗器正中心,且容量瓶底部距超声槽底4 cm。

⑵做8组实验，经超声波辐射时间分别为0、10、20、30、40、50、60，70,80.其他条件相同，温度控制在25℃。

⑶用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。将不同辐射时间下的DBS的降解率进行对比。选出适合的条件。

4.2 温度对降解率的影响

温度对超声空化的强度和动力学过程具有非常重要的影响,从而造成超声降解的速率和程度的变化。温度升高会导致气体溶解度减小,表面张力降低和饱和蒸汽压增大,这些变化对超声空化是不利的。

4.21 实验方法

在一定条件下, 采用相同浓度的DBS溶液，在不同温度下经超声辐射一定时间后,用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。溶液的pH 值用1 mol/ L NaOH和0. 5 mol/ L H2SO4 调节。

4.22 实验步骤

⑴ 取一定量DBS置于10个100 ml容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度。将容量瓶置于超声波清洗器正中心,且容量瓶底部距超声槽底4 cm。

⑵做10组实验，采用相同浓度的DBS溶液，温度分别控制在10.20.30.40.50.60.70.80.90.100.、PH=5辐照15分钟。

⑶ 用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。将不同功率下的DBS的降解率进行对比。选出适合的条件.

4.3 初始浓度的影响

4.31 实验方法

在一定条件下,采用不同浓度的DBS溶液，经超声辐射一定时间后,用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。溶液的pH 值用1 mol/ L NaOH和0. 5 mol/ L H2SO4 调节。

4.32. 实验步骤

⑴取6支100ml的容量瓶,依次加入1mL的DBS溶液分别为0.5mg/L、1mg/L、1.5mg/L、2mg/L、2.5mg/L、3mg/L于容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度。将容量瓶置于超声波清洗器正中心,且容量瓶底部距超声槽底4 cm。

⑵用1 mol/ L NaOH和0. 5 mol/ L H2SO4 调节溶液的PH值为3，温度控制在25℃，经超声波辐射25min后，用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。

4.4 PH 值对降解率的影响

4.41 实验方法

在PH值不同条件下,采用相同浓度的DBS溶液，经超声辐射一定时间后,用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。溶液的pH 值用1 mol/ L NaOH和0. 5 mol/ L H2SO4 调节。

4.42 实验步骤

⑴ 取一定量DBS置于10个100 ml容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度。将容量瓶置于超声波清洗器正中心,且容量瓶底部距超声槽底4 cm。

⑵做七组实验，调节溶液的PH值分别为3、4、5、7、9、11、13，其他条件相同，温度控制在25℃，经超声波辐射25min。

⑶用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。将不同功率下的DBS的降解率进行对比。选出适合的条件。

4.5 添加H2O2 对降解率的影响

4.51 实验方法

在一定条件下,往相同浓度的DBS分别加入不同浓度的H2O2溶液，经超声辐射一定时间后,用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。溶液的pH 值用1 mol/ L NaOH和0. 5 mol/ L H2SO4 调节。

4.52 实验步骤

⑴ 取一定量DBS置于10个100 ml容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度。将容量瓶置于超声波清洗器正中心,且容量瓶底部距超声槽底4 cm。

⑵做六组实验，往相同浓度的DBS溶液中分别加入2×10-5mol/L 、 3×10-5mol/L、4×10-5mol/L、5×10-5mol/L、5. 82 ×10 - 5mol/ L、6×10-5mol/LH2O2溶液，在60℃、PH=5辐照15分钟。

⑶ 用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。将不同功率下的DBS的降解率进行对比。选出适合的条件。

4.6 频率的影响

4.61 实验方法

在一定条件下,采用不同频率的超声波，经超声辐射一定时间后,用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。溶液的pH 值用1 mol/ L NaOH和0. 5 mol/ L H2SO4 调节。

4.62 实验步骤

⑴ 取一定量DBS置于10个100 ml容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度。将容量瓶置于超声波清洗器正中心,且容量瓶底部距超声槽底4 cm。

⑵ 做6组平行试验，分别采用200、400、600、800、1000、20K HZ的不同频率，在20K HZ,20摄氏度和PH=3的条件下辐照15分钟。

⑶ 用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。将不同功率下的DBS的降解率进行对比。选出适合的条件。

4.7 功率的影响

功率作为超声波的一个重要参数，对DBS降解率的影响十分显著。在辐照面积一定的条件下，增大功率意味着提高声强，有利于强化空化效应，使DBS易于降解。当超声功率大于800W 时，DBS降解率提高明显。 因此，大功率超声对DBS 降解有利。但是，对超声降解氯化物的研究表明，超声波功率或声强过高反而会抑制空化气泡的生成与溃陷，降低反应系统对超声能量的有效吸收，于污染物降解不利。因而对于一个特定的物系，功率的提高可能存在一个临界值,有关规律尚待进一步探讨。

4.71 实验方法

在一定条件下,采用不同功率的超声波，经超声辐射一定时间后,用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。溶液的pH 值用1 mol/ L NaOH和0. 5 mol/ L H2SO4 调节。

4.72 实验步骤

1.取一定量DBS置于6个100 ml容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度。将容量瓶置于超声波清洗器正中心,且容量瓶底部距超声槽底4 cm。

2.做6组平行试验，分别采用200、400、600、800、1000、1200 W的不同功率，在20K HZ,20摄氏度和PH=3的条件下辐照15分钟。

3. 用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。将不同功率下的DBS的降解率进行对比。选出适合的条件。

4.8 空化气体的影响

空化气体是指为强化空化效应而充入溶液介质的饱和气体。

溶解气体对超声降解速率和降解程度的影响主要有两方面的原因: ①溶解气体对空化气泡的性质和空化强度有重要的影响; ②溶解气体如N2 、O2 产生的自基也参与降解反应过程,从而影响反应机理和降解反应的热力学和动力学行为。

4.81 实验方法

在一定条件下,往相同浓度的DBS溶液中通入不同的气体，经超声辐射一定时间后,用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。溶液的pH 值用1 mol/ L NaOH和0. 5 mol/ L H2SO4 调节。

4.82 实验步骤

⑴ 取一定量DBS置于4个100 ml容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度。将容量瓶置于超声波清洗器正中心,且容量瓶底部距超声槽底4 cm。

⑵ 选其中一个不充入气体作为对照，另外三个分别充入氮气、氧气和氩气，在20K HZ,20摄氏度和PH=3的条件下辐照15分钟。

⑶ 用亚甲基蓝法测定溶液的吸光度,与DBS 标准溶液对比。由此计算降解率。将充条件不同空化气体下的DBS的降解率进行对比。选出适合的空化气体。

5. 参考文献

[1 ] 吴纯德,范瑾处. 超声空化降解水体中的有机物的研究及发展[J ] . 中国给排水,1997

[2 ] 冯若,李化茂. 声化学及其应用[M] . 安徽:安徽科技出版社,1992

[3 ] 祁梦兰, 我国合成洗涤剂生产废水治理技术研究.中国环境科学

[4 ] 蒋建华, 超声降解水体中化学污染物的研究现状［J］, 环境科学进展,1998

[5 ] 李廷胜，尹其光, 超声化学［A］，北京：科学出版社，1995

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/7be6f3a0284ac850ad024226.html