超声波-Fenton法在有机废水处理中的应用,本文是废水处理有关硕士学位论文范文跟超声波类本科论文开题报告范文.
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摘 要 超声波的空化效应为化学反应提供高温高压的环境,在这种环境下形成羟基自由基,其性质很活泼,具有较高的氧化性,能与空化泡周围的物质反应且形成稳定的最终产物,使废水中有机物得到降解.文章介绍了超声波和Fenton法降解废水的原理、两种方法分别在处理有机废水中的应用以及联合后处理效果的对比.
关键词 超声波；Fenton试剂；空化效应；高级氧化；应用
中图分类号:X703.5文献标识码:C文章编号:2095-1205(2018)10-11-02
目前,各行各业中都在应用超声波技术且技术较为娴熟,主要应用的是功率超声与检测超声.Fenton试剂是二价铁离子和过氧化氢共同组成的氧化体系,Fenton试剂与超声波联合可产生大量氧化性极强的羟基自由基,利用超声波的空化作用及氢基自由基达到对目标物高级氧化的目的,是一种很强的氧化体系.
1超声波作用原理
1.1机械作用
超声波的机械作用一般通过原点位移、振动速度、加速度以及声压参数的变化来体现[1].当超声波在流体介质中形成驻波时,质点位移振幅虽小,但加速度却非常大[2],最大可达到14.4 Km/s2.因此机械作用引起的振动可在某种程度上影响流体的性质、状态和结构,打破C-C键,促进反应进程[3].
1.2空化作用
废水中存在微小气泡核,空化作用是指这些微小气泡核在超声波的作用下发生振动,当振动声压增大到一定程度时,气泡核在一瞬间膨胀、闭合,并产生冲击波等一系列的动力学过程.超声波作用于流体时,产生的局部高负压将瞬间产生大量空穴或气泡,在超声波纵向传播过程中形成的负压区空化泡在此区间生长,在正压区迅速闭合,在正负压强交替变换下受到压缩和拉伸,气泡受到压缩突然崩溃裂解成许多小气泡,构成新的空化核,作为继续空化的原料.
1.3化学作用
超声波的化学作用体现在可以加速某些化学反应的发生及进程.微小气泡核振动、膨胀破裂后会产生高温高压液体环境,在此环境中可促进某些自由基（羟基自由基）反应、分解或聚合,促进溶液中的难挥发的有机物发生氧化反应,加快有机物降解[4].由此可见,超声波的空化作用导致超声波具有了一定的化学作用,并催化了化学反应的进程.
1.4热效应
超声波的热效应是指超声波通过介质传播时,在介质的微粒间和分界面上的摩擦以及介质的吸收等使超声能量转化为热能,从而引起生物体的某种变化的现象.高温对进入空化泡内的有机物以及空化泡气液界面出的有机物具有热解作用,使有机物化学键断裂从而得到降解[5].
2Fenton试剂作用原理
Fenton试剂由亚铁离子和过氧化氢组成.反应过程中,H2O2溶液在Fe2+的催化下生成羟基自由基,具有强烈的氧化性,并生成Fe3+,Fe3+再与H2O2反应生成Fe2+,如此实现了二价铁与三价铁之间的循环,且不断产生活性自由基[6].Fe3+、Fe2+的存在可使H2O2溶液高效地分解生成大量·OH,利用·OH的强氧化性和高电负性氧化降解水体中的有机污染物,并使其最终矿化为CO2、H2O及无机盐类等小分子物质,这些小分子有机物会加速分解或和Fe2+形成稳定的化合物,难以被进一步降解,因此只要有H2O2存在,有机物的降解反应便不会停止[7].
3超声波与Fenton试剂的联合作用
超声波机械作用可是有机废水内部形成正、负压位相.当负压足够大时即可形成空化泡,空化泡形成后将持续长大,当负声压达到极大值时空化泡停止生长,而后在正压相中被压缩,使一些空化泡进入连续震荡,而另外一些完全崩溃,形成了一种高温高压的特殊环境,为化学反应提供了条件[8].在该环境下形成的羟基自由基能与空化泡周围的物质反应且形成稳定的最终产物.
4应用
4.1超声波在工业废水中的应用
处理造纸废水.造纸工业中纸浆处理及废纸脱墨是造纸废水处理中的一项难题,超声波技术的应用使得以上两项难题得到突破.超声波产生的冲击和剪切力使得纸浆中的纤维细胞壁发生变形和位移,纤维产生纵向分裂,发生细纤维化.超声波使废纸表面的油墨粒子松弛并使油墨从纸张纤维表面脱落或自行碎解.对纸张进行脱墨处理不仅可以减少药品用量,降低成本,还可以减轻对水体的污染.
造纸废液色度极暗,主要由木质素和腐殖酸物质构成.沈壮志等采用PFS/H2O2与超声波联合处理造纸废水[9], 经对比发现,在于没有联合超声波前对CODCr的去除率相比,联合后的去除率提高了近13 %,不仅如此,对药品的使用也得到了节约,降低了造纸废水处理过程中的成本.
4.2 Fenton法在有机废水中的应用
处理印染废水.印染废水与造纸废水相同,皆属于难处理的工业废水,各种产品在印染过程中需要多次印染,因此印染废水水量大且有机物含量高.印染过程中染料的残余使印染废水色度较高,其中颜色来自染料分子的共轭体系,芬顿试剂产生的羟基自由基可打破这种共轭体系,使之变为无色有机物且进一步矿化.研究人员在研究芬顿试剂降解印染废水的过程中发现染料分解是分两部分进行的,一步反应较快,一步反应较慢,条件优化后一定温度时间内97 %的染料可被降解,在进一步反应后,COD去除率可达70 %[10 ].
4.3 超声波与Fenton法的联合应用
处理淀粉废水.生产淀粉的废水存在COD值较高的特点,一般在1000 ~ 30000mg/L之间,属于高浓度的有机废水,是造成环境水体污染的主要污染源之一.近年来,Fenton法是发展前景较好的降解方式之一,且Fenton法与超声波结合处置废水结果会更佳.任百祥[11]等经过试验得出：单独Fenton试剂氧化与超声-Fenton结合对高浓度玉米淀粉废水处理结果比较,超声与Fenton法联合处置时的COD去除效力较单独Fenton法处置时超出六个百分点,主要是由于超声辐照致使更多的羟基自由基产生,能有效且高效地降解废水中的有机物.
5 小结
超声波降解拥有能耗低、无污染或少污染的特点,而Fenton氧化法在国内外的运用较为广泛,且技艺相对于其他氧化法比较成熟,适用于大多数水质,但单独使用成本太高且达不到理想效果,因此在实际应用中常与紫外光、臭氧、过氧化氢和Fenton试剂联用,用于废水的预处理或最终深度处置.本文中超声波与Fenton试剂联合作用,适用于多数水质的同时,在超声波的作用下,极短时间内会发生空化现象,有机物更容易发生碰撞,产生较多的自由基,使有机废水得到降解,最终达到较好的去除效果.
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