超声波清洗的工艺特点及应用

　　1 废水中有机污染物的超声自动化降解

　　频率大于20赫兹的声波，由于已经超出我们耳朵能够听到的上限声音故称之为超声波。现在提到比较多的声化学，其实重点是指使用超声波来实现一个加速反应，从而达到提高这个化学反应的生产率的交叉学科。这为一个在一般情况之下很难或者说是根本无法实现的这样一个化学反应提供了一个崭新特别的物理环境，也就是展开了全新的一个自动化反应通道。

　　1.1 超声波自动化降解作用下空化泡运动

　　不是所有的气泡在液体中可以产生比较明显的这么一个空化过程的，这是在自然共振频率的超声波频率和泡沫等于超声波和气泡之间可以实现最有效的能量耦合的这种情况下才会发生的。对于半径为Re气泡，且在密度是P的这个液体中的自然共振频率，其表达式如下所示：

　　上式中每个符号所代表的意义如下：

　　rf 表示的是气泡的自然共振频率；

    g表示的是气体的比热比；

    R 表示的是空化核的初始半径；

    s表示的是空化泡的表面张力；

    r表示的是液体的密度。

　　由上面的式子可以知道，共振频率fr与空化泡半径Re其实是成一个反比关系的。

　　1.2 超声自动空化与空化域值

　　超声空化，其实就是表示在这个超声波的作用下微小的泡核成功地被激活，这是一个泡核的振荡以及生长过程还有这个收缩等等的一长串的动态过程。这个理想的水的空化气泡核声压值大概就是 Pa81. 52?10,和实际的这个空化阈值压力相比较是要低很多的。这个空化阈值就是表示在液体中产生空化的一个最低的 声强或者是这个声压的幅值。这个空化阈值型BP 的表达式可以如下式所示：

　　其中每个符号所代表的意义如下：

　　BP 表示的是空化域值；

    VP 表示的是泡内蒸汽压；

    hP 表示的是液体静压力；

    s表示的是空化泡的表面张力；

    eR 表示的是空化泡初始半径。

　　由上面式子可以得出，

    （1）空化阈值BP 是和这个液体的温度还有这个液体粘度和表面张力，压力和频率等等这些都是存在紧密关联的

    （2）有小气泡在液体中核心是减少气蚀域值。附着在固体杂质、裂纹表面的灰尘或容器和微泡沫或空气泡沫，或由于不均匀结构的抗拉强度减弱的小区域液体溶解气体的分离可以构成微小泡核的，等等。

　　1.3 超声自动空化作用

　　随着我们的电子自旋共振技术的不断进步，声空化自由基的发展过程中是可以通过这个ESR技术来检测的。对于这个自由基是由热解形成的振荡的泡沫在压缩状态下，以增加理论中的热点。

　　热理论的这个模型，指出了超声空化是这个液体里面难以分析的这么一种物理和化学现象。超声波传播的媒介，有积极的和消极的压力交替循环的过程。阶段正压时，介质的挤压使液体介质密度会相对提高一些；然而在负压的时候，却会使变得稀疏一些，进一步离散介质密度降低。如果是以一个很大的振幅的这个超声波作用于这个液体介质的时候，介质的负压区，分子之间的平均距离将超过临界分子液体介质保持相同的距离，我们的这个液体介质是会断裂开来的，并且变成这个很小的泡沫。对于这些刚刚形成的微气泡还有我们液体本来就有的微泡沫，这些泡沫在空化气泡中进一步成长。其中一部分的气泡会重新溶解在这个液体培养基中，另外一部分也可能上升和是消失；另一方面很大的一部分，应为这个声场的变化而能够不断地继续成长，一直达到这个负压的峰值。最后这个空化气泡在共振的这个相位的时候不再稳定，而这个时候的空化气泡内的压强也无法再支撑着，这就是到了崩溃甚至是消失的时候了。

　　2 对硝基苯酚的自动化超声降解研究

　　2.1 对酚类的自动化降解效果分析

　　辐射频率可调超声波降解苯酚。最近的结果表明了200KHZ 的频率是一个最有效的，当我们的这个超声波气体管道时，这个氧气的效果又是最有优势的，对于这个超声波辐射下苯酚的降解其实即使一个和臭氧氧化非常相似的过程。液压静压，研究了溶解气体的性质，和超声波的频率对苯酚的降解，影响的主要产品是苯的基础，梭酸的进一步降解，增加镍粉末催化剂有助于提高COD的去除率。在探讨超声波降解五氯苯酚的这样一个过程，对于这个中间和最终的产物的实验测试，最后表明了这个氯苯酚降解反应主要发生在本体和气液界面的解决方案，而不是一个空化泡内。通过分析挥发性氯苯的中间和最终产品为主的高温热解反应机理，但是这个氯苯酚反应则主要是以一个自由基氧化为主的这么个过程。

　　2.2 初始浓度对超声降解P-NP的影响

　　由表1和图1可以看出来，在实验中探究的这个浓度范围里，超声降解在这个水体中P-NP是遵循我们的一级动力学反应，也就是说初始浓度较低的话，是有利于提高这个水中P-NP的一个降解率的。

　　从图2是明显看出，这个一级速率常数是会随着我们的P-NP溶液初始浓度的不断升高而下降的。

　　根据超声领域的超声波降解反应的理论可能是内部的空化泡的气相，周围的气体和液体的空化气泡膜界面和本体的解决方案。也就是在这个P-NP在溶液浓度比较高的时候，这个气体P-NP也就会更多挥发进入空化泡内。对于这个泡沫崩溃，其实在原则上说是可以达到最高的温度和压力，并且这是一个和空化气泡内的气体压力存在一个紧密的联系的。根据阿伦尼乌斯定律，反应速率常数是与这个反应的温度成一个正比关系的。所以当P-NP的溶液浓度不断增加的过程中，空化泡温度的就会不断地变低，当然还有我们的这个自由基反应速率常数也会一起下降的。P-NP浓度的增加空化气泡膜气液界面的解决方案和解决P-NP及其降解中间产品也在不断增加，因此占地面积反应，甚至会增加不良反应的发生率，从而减少自由基氧化反应的这个速率。在上面这两个方面看来的话，在水溶液里，P-NP的这个初始浓度的不断增加是会降低我们的一级速率常数的。

　　3 水处理自动化过程的超声波氧化技术

　　超声氧化技术是声化学技术是污染物净化中的一个具体的应用。声化学其实也就是我们的超声波加速化学反应或开始一个新的通道来实现反应的过程，其目的是来实现提升这个化学反应的产率或者说是获得一个新的化学反应产品的学科。

　　3.1 实现水处理自动化过程的超声波氧化

　　超声波氧化机理其实即是声化学反应通过声空化机理等主导的一个过程。这里一方面是指超声波在液体中的泡沫产生过程，另一方面是指泡沫在强大的特殊运动在超声波的作用下。

　　应用超声波在液体、超声波强度达到一定程度的时候，液体会导致生产一群泡沫，这些泡沫同时通过超声波的影响，在稀疏的声音和压缩阶段，泡沫的增长，收缩，再生，再缩小，经过反复周期性振荡，最终破裂速度高。这些外部的环境下面会让有机化学键断裂发生在空化气泡，热解或者是产生了自由基反应。

　　超声波由一系列密度和纵向波，并通过液体介质传播，具有能量集中的特点，并且它的这个穿透能力也非常强。声音强度在不断增大后，声场的扩张阶段，液相打破之间的分子引力，就会有较多的泡沫产生。这些气泡可以分为含气和真空这两种类型。前面那种类型的泡沫含有少量的气体或蒸汽，而后面这种类型则是几乎达到了真空的。真空型泡沫，这在压缩爆炸的时刻可以产生约4000k和100MPa当地高温高压环境，并创建一个强大的微射流的影响，导致很多机械、生物学等等的这些效应，这这种效应我们称之超声空化现象。

　　3.2 实现水处理自动化过程的超声波空化机制

　　超声空化现象的解释国际学者进行了大量的研究，在最后给出了三个理论，分别是热点理论，放电理论还有自由基理论。

　　（1）热点理论

　　在热点理论看来，被绝热压缩而具有高温等特点的小气泡其实是可以被视为有极端的微反应器的物理和化学环境，也就是给在很难或不可能在一般条件下的化学反应创造了非常特殊这么一个环境。在高温、高压和热点以及相关的机械剪切，是可以达到加快化学反应速率。并且还能够实现这些进入空化泡的有机物的一个热分解反应。

　　（2）放电理论

　　放电理论在1930年代首先提出，理论认为：超声空化现象使液体泡沫内产生一定量的电荷，而电荷又会在满足特定条件下实现一个微放电并发光。尽管电致发光放电理论可以很好的解释这一现象，仍有一定的局限性，但其本身的深化，这一理论也渐渐地被一些热点理论替代了。

　　（3）声致自由基理论

　　当在这个水溶液中发生超声空化的时候，是可以将物系划分为三个区域的，其中包括了空化泡崩溃时内部气相区、液相本体以及还有空化泡的气液界面区，具体下图图3-1所示。

　　（1）空化泡崩溃时内部气相区

　　一般来说，在一定频率和强度的超声波连续函数和超声空化发生，一些氧化剂浓度保持相对稳定的解决方案。空化泡内挥发性物质将类似于燃烧的热分解反应。

　　（2）空化泡的气液界面区

　　虽然面积低于空化泡的气相的温度，但仍有当地高温度约2100℃，所以还是存在发生热解反应以及自由基反应的可能性。极性，难挥发性物质在该地区· OH等等这些的自由基氧化降解，并且在最后会降解为无毒的这些小分子的化合物。

　　4 超声波在水处理自动化实现过程的影响因素

　　4.1 超声的频率

　　当频率高通货膨胀和压缩周期很短，所以等不及微泡沫久大到足以引起液体介质的断裂，即空化气泡在扩张的过程中，空化泡崩溃的时间压缩一半周期时间要长得多。频率的不断增加过程中，声空化程度反而会不断降低，这自然会让这个空化强度降低。

　　4.2 反应的介质

　　如蒸汽压以及表面张力还有我们的这个浓度大小等等都对超声空化作用存在非常大的影响。对于在这个液体的表面张力还有这个粘度较高的时候，就应该通过比较高的超声波实现空化效应。

　　4.3 介质中溶解的气体

　　传热率还有这个定压热容和热容比（PVC /C）来确定化学反应的参数。气体的热导率将影响其矿化泡沫崩溃到空化泡的能量在周围的流体环境中，还有（PVC /C）是对这个空化泡崩溃时释放的热量的一个定义。

　　5 结 语

　　本课题主要是探究解决水污染自动化控制，需要特别重视的就是污染水的有机微污染物的去除。越来越得到认可的有高级氧化方法，因为这个方法可以更好实现自动化去除这个污染物。利用这个超声波技术和臭氧技术相结合来实现智能降解处理水中污染物是一个目前研究的重点。

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