1 廢水中有機污染物的超聲自動化降解

頻率大于20赫茲的聲波，由于已經超出我們耳朵能夠聽到的上限聲音故稱之為超聲波?，F在提到比較多的聲化學，其實重點是指使用超聲波來實現一個加速反應，從而達到提高這個化學反應的生產率的交叉學科。這為一個在一般情況之下很難或者說是根本無法實現的這樣一個化學反應提供了一個嶄新特別的物理環境，也就是展開了全新的一個自動化反應通道。

1.1 超聲波自動化降解作用下空化泡運動

不是所有的氣泡在液體中可以產生比較明顯的這么一個空化過程的，這是在自然共振頻率的超聲波頻率和泡沫等于超聲波和氣泡之間可以實現最有效的能量耦合的這種情況下才會發生的。對于半徑為Re氣泡，且在密度是P的這個液體中的自然共振頻率，其表達式如下所示：

上式中每個符號所代表的意義如下：

rf 表示的是氣泡的自然共振頻率；

g表示的是氣體的比熱比；

R 表示的是空化核的初始半徑；

s表示的是空化泡的表面張力；

r表示的是液體的密度。

由上面的式子可以知道，共振頻率fr與空化泡半徑Re其實是成一個反比關系的。

1.2 超聲自動空化與空化域值

超聲空化，其實就是表示在這個超聲波的作用下微小的泡核成功地被激活，這是一個泡核的振蕩以及生長過程還有這個收縮等等的一長串的動態過程。這個理想的水的空化氣泡核聲壓值大概就是 Pa81. 52?10,和實際的這個空化閾值壓力相比較是要低很多的。這個空化閾值就是表示在液體中產生空化的一個最低的 聲強或者是這個聲壓的幅值。這個空化閾值型BP 的表達式可以如下式所示：

其中每個符號所代表的意義如下：

BP 表示的是空化域值；

VP 表示的是泡內蒸汽壓；

hP 表示的是液體靜壓力；

s表示的是空化泡的表面張力；

eR 表示的是空化泡初始半徑。

由上面式子可以得出，

（1）空化閾值BP 是和這個液體的溫度還有這個液體粘度和表面張力，壓力和頻率等等這些都是存在緊密關聯的

（2）有小氣泡在液體中核心是減少氣蝕域值。附著在固體雜質、裂紋表面的灰塵或容器和微泡沫或空氣泡沫，或由于不均勻結構的抗拉強度減弱的小區域液體溶解氣體的分離可以構成微小泡核的，等等。

1.3 超聲自動空化作用

隨著我們的電子自旋共振技術的不斷進步，聲空化自由基的發展過程中是可以通過這個ESR技術來檢測的。對于這個自由基是由熱解形成的振蕩的泡沫在壓縮狀態下，以增加理論中的熱點。

熱理論的這個模型，指出了超聲空化是這個液體里面難以分析的這么一種物理和化學現象。超聲波傳播的媒介，有積極的和消極的壓力交替循環的過程。階段正壓時，介質的擠壓使液體介質密度會相對提高一些；然而在負壓的時候，卻會使變得稀疏一些，進一步離散介質密度降低。如果是以一個很大的振幅的這個超聲波作用于這個液體介質的時候，介質的負壓區，分子之間的平均距離將超過臨界分子液體介質保持相同的距離，我們的這個液體介質是會斷裂開來的，并且變成這個很小的泡沫。對于這些剛剛形成的微氣泡還有我們液體本來就有的微泡沫，這些泡沫在空化氣泡中進一步成長。其中一部分的氣泡會重新溶解在這個液體培養基中，另外一部分也可能上升和是消失；另一方面很大的一部分，應為這個聲場的變化而能夠不斷地繼續成長，一直達到這個負壓的峰值。最后這個空化氣泡在共振的這個相位的時候不再穩定，而這個時候的空化氣泡內的壓強也無法再支撐著，這就是到了崩潰甚至是消失的時候了。

2 對硝基苯酚的自動化超聲降解研究

2.1 對酚類的自動化降解效果分析

輻射頻率可調超聲波降解苯酚。最近的結果表明了200KHZ 的頻率是一個最有效的，當我們的這個超聲波氣體管道時，這個氧氣的效果又是最有優勢的，對于這個超聲波輻射下苯酚的降解其實即使一個和臭氧氧化非常相似的過程。液壓靜壓，研究了溶解氣體的性質，和超聲波的頻率對苯酚的降解，影響的主要產品是苯的基礎，梭酸的進一步降解，增加鎳粉末催化劑有助于提高COD的去除率。在探討超聲波降解五氯苯酚的這樣一個過程，對于這個中間和最終的產物的實驗測試，最后表明了這個氯苯酚降解反應主要發生在本體和氣液界面的解決方案，而不是一個空化泡內。通過分析揮發性氯苯的中間和最終產品為主的高溫熱解反應機理，但是這個氯苯酚反應則主要是以一個自由基氧化為主的這么個過程。

2.2 初始濃度對超聲降解P-NP的影響

由表1和圖1可以看出來，在實驗中探究的這個濃度范圍里，超聲降解在這個水體中P-NP是遵循我們的一級動力學反應，也就是說初始濃度較低的話，是有利于提高這個水中P-NP的一個降解率的。

從圖2是明顯看出，這個一級速率常數是會隨著我們的P-NP溶液初始濃度的不斷升高而下降的。

根據超聲領域的超聲波降解反應的理論可能是內部的空化泡的氣相，周圍的氣體和液體的空化氣泡膜界面和本體的解決方案。也就是在這個P-NP在溶液濃度比較高的時候，這個氣體P-NP也就會更多揮發進入空化泡內。對于這個泡沫崩潰，其實在原則上說是可以達到最高的溫度和壓力，并且這是一個和空化氣泡內的氣體壓力存在一個緊密的聯系的。根據阿倫尼烏斯定律，反應速率常數是與這個反應的溫度成一個正比關系的。所以當P-NP的溶液濃度不斷增加的過程中，空化泡溫度的就會不斷地變低，當然還有我們的這個自由基反應速率常數也會一起下降的。P-NP濃度的增加空化氣泡膜氣液界面的解決方案和解決P-NP及其降解中間產品也在不斷增加，因此占地面積反應，甚至會增加不良反應的發生率，從而減少自由基氧化反應的這個速率。在上面這兩個方面看來的話，在水溶液里，P-NP的這個初始濃度的不斷增加是會降低我們的一級速率常數的。

3 水處理自動化過程的超聲波氧化技術

超聲氧化技術是聲化學技術是污染物凈化中的一個具體的應用。聲化學其實也就是我們的超聲波加速化學反應或開始一個新的通道來實現反應的過程，其目的是來實現提升這個化學反應的產率或者說是獲得一個新的化學反應產品的學科。

3.1 實現水處理自動化過程的超聲波氧化

超聲波氧化機理其實即是聲化學反應通過聲空化機理等主導的一個過程。這里一方面是指超聲波在液體中的泡沫產生過程，另一方面是指泡沫在強大的特殊運動在超聲波的作用下。

應用超聲波在液體、超聲波強度達到一定程度的時候，液體會導致生產一群泡沫，這些泡沫同時通過超聲波的影響，在稀疏的聲音和壓縮階段，泡沫的增長，收縮，再生，再縮小，經過反復周期性振蕩，最終破裂速度高。這些外部的環境下面會讓有機化學鍵斷裂發生在空化氣泡，熱解或者是產生了自由基反應。

超聲波由一系列密度和縱向波，并通過液體介質傳播，具有能量集中的特點，并且它的這個穿透能力也非常強。聲音強度在不斷增大后，聲場的擴張階段，液相打破之間的分子引力，就會有較多的泡沫產生。這些氣泡可以分為含氣和真空這兩種類型。前面那種類型的泡沫含有少量的氣體或蒸汽，而后面這種類型則是幾乎達到了真空的。真空型泡沫，這在壓縮爆炸的時刻可以產生約4000k和100MPa當地高溫高壓環境，并創建一個強大的微射流的影響，導致很多機械、生物學等等的這些效應，這這種效應我們稱之超聲空化現象。

3.2 實現水處理自動化過程的超聲波空化機制

超聲空化現象的解釋國際學者進行了大量的研究，在最后給出了三個理論，分別是熱點理論，放電理論還有自由基理論。

（1）熱點理論

在熱點理論看來，被絕熱壓縮而具有高溫等特點的小氣泡其實是可以被視為有極端的微反應器的物理和化學環境，也就是給在很難或不可能在一般條件下的化學反應創造了非常特殊這么一個環境。在高溫、高壓和熱點以及相關的機械剪切，是可以達到加快化學反應速率。并且還能夠實現這些進入空化泡的有機物的一個熱分解反應。

（2）放電理論

放電理論在1930年代首先提出，理論認為：超聲空化現象使液體泡沫內產生一定量的電荷，而電荷又會在滿足特定條件下實現一個微放電并發光。盡管電致發光放電理論可以很好的解釋這一現象，仍有一定的局限性，但其本身的深化，這一理論也漸漸地被一些熱點理論替代了。

（3）聲致自由基理論

當在這個水溶液中發生超聲空化的時候，是可以將物系劃分為三個區域的，其中包括了空化泡崩潰時內部氣相區、液相本體以及還有空化泡的氣液界面區，具體下圖圖3-1所示。

（1）空化泡崩潰時內部氣相區

一般來說，在一定頻率和強度的超聲波連續函數和超聲空化發生，一些氧化劑濃度保持相對穩定的解決方案?？栈輧葥]發性物質將類似于燃燒的熱分解反應。

（2）空化泡的氣液界面區

雖然面積低于空化泡的氣相的溫度，但仍有當地高溫度約2100℃，所以還是存在發生熱解反應以及自由基反應的可能性。極性，難揮發性物質在該地區· OH等等這些的自由基氧化降解，并且在最后會降解為無毒的這些小分子的化合物。

4 超聲波在水處理自動化實現過程的影響因素

4.1 超聲的頻率

當頻率高通貨膨脹和壓縮周期很短，所以等不及微泡沫久大到足以引起液體介質的斷裂，即空化氣泡在擴張的過程中，空化泡崩潰的時間壓縮一半周期時間要長得多。頻率的不斷增加過程中，聲空化程度反而會不斷降低，這自然會讓這個空化強度降低。

4.2 反應的介質

如蒸汽壓以及表面張力還有我們的這個濃度大小等等都對超聲空化作用存在非常大的影響。對于在這個液體的表面張力還有這個粘度較高的時候，就應該通過比較高的超聲波實現空化效應。

4.3 介質中溶解的氣體

傳熱率還有這個定壓熱容和熱容比（PVC /C）來確定化學反應的參數。氣體的熱導率將影響其礦化泡沫崩潰到空化泡的能量在周圍的流體環境中，還有（PVC /C）是對這個空化泡崩潰時釋放的熱量的一個定義。

5 結 語

本課題主要是探究解決水污染自動化控制，需要特別重視的就是污染水的有機微污染物的去除。越來越得到認可的有高級氧化方法，因為這個方法可以更好實現自動化去除這個污染物。利用這個超聲波技術和臭氧技術相結合來實現智能降解處理水中污染物是一個目前研究的重點。

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