超聲活化過硫酸鹽降解廢水中有機(jī)物效果的影響因素

張楠，陳蕾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

1 超聲活化過硫酸鹽的機(jī)理

2 影響US-PS系統(tǒng)去除效率的因素

在有機(jī)污染物的降解過程，其降解速率很容易受到各種因素的影響，如超聲波功率和頻率、pH、溫度、過硫酸鹽濃度、共存無機(jī)陰離子等[18]，不同分子結(jié)構(gòu)有機(jī)物的降解機(jī)理存在顯著差異[19]。

2.1 過硫酸鹽的初始濃度

過硫酸鹽的初始濃度對US-PS系統(tǒng)中有機(jī)污染物的去除具有重要意義。Hori等在5，10 mmol/L的過硫酸鹽濃度下進(jìn)行了降解全氟醚羧酸的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明10 mmol/L濃度過硫酸鹽對全氟醚羧酸的去除率更高[20]；Vichare等利用不同濃度的過硫酸鹽進(jìn)行雙酚A氧化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PS濃度從1 mg/L增加到100 mg/L時(shí)，雙酚A的氧化速度增加了3倍[21]。因此，隨著過硫酸鹽濃度的增加，有機(jī)污染物的去除率呈上升趨勢。

以上這些結(jié)果表明，隨著過硫酸鹽濃度的增加，可能會(huì)產(chǎn)生更多的硫酸鹽自由基，導(dǎo)致有機(jī)物的降解速度更快。但是，Gayathri等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過硫酸鹽濃度達(dá)到1.6 g/100 mL時(shí)，其處理污水的脫色效率將會(huì)降低[22]。因此，過硫酸鹽濃度的提高對污染物的去除是有限度的[18]。

2.2 pH

2.3 溫度

反應(yīng)溫度是水粘度和傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)鍵變量。據(jù)經(jīng)常報(bào)道，溫度升高對污染物降解有積極影響[18]。當(dāng)溫度從25 ℃增加到65 ℃時(shí)，四環(huán)素的降解速率常數(shù)從0.017 5增加到0.157 3 min-1，且四環(huán)素在65，55，45 ℃下反應(yīng)，分別經(jīng)過60，90，120 min后得到完全降解[25]。這種現(xiàn)象可能是由于溫度升高，使得氧化劑和中間產(chǎn)物的分子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)所導(dǎo)致的[18]。

總的來說，盡管在較高的反應(yīng)溫度下，活性氧的生成和有機(jī)物的超聲分解受到抑制，但由于熱和超聲波的聯(lián)合活化，溫度升高會(huì)促進(jìn)降解[18]。

2.4 共存無機(jī)陰離子

在這些無機(jī)陰離子中，Cl-可以與硫酸根和羥基自由基反應(yīng)，生成Cl·、Cl2·之類的活性物質(zhì)，而含Cl-的氧化物質(zhì)的氧化還原電勢遠(yuǎn)低于羥基和硫酸根自由基[30]。

2.5 共存有機(jī)物

除無機(jī)陰離子外，廢水中共存的有機(jī)物對目標(biāo)有機(jī)物的降解也具有抑制作用。通常情況下選擇腐殖酸來分析有機(jī)基質(zhì)對聲活化過硫酸鹽氧化的影響[18]。有研究發(fā)現(xiàn)，在腐殖酸濃度為17.5～35 mg/L 的情況下，由于其與雙酚A的反應(yīng)性自由基之間存在顯著競爭，因此導(dǎo)致了污染物的降解作用降低[29]；同樣，分別添加10，50 mg/L的腐殖酸到試樣中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)考馬斯亮藍(lán)的降解率由82%降低到了76%[34]。同時(shí)，由于人類對含有表面活性劑物質(zhì)的使用量的增加，目前表面活性劑已成為廢水和天然水中共存有機(jī)物的常見成分，研究發(fā)現(xiàn)，在十二烷基硫酸鈉的作用下，考馬斯亮藍(lán)的降解受到了明顯的抑制[34]。

Nasseri等利用去離子水，瓶裝水，自來水和廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了共存有機(jī)物對四環(huán)素去除的影響[25]。研究發(fā)現(xiàn)，與去離子水相比，瓶裝水和自來水降解污染物的效果更好，可能是由于其中存在著極少量的天然有機(jī)物[25]。當(dāng)有機(jī)物含量增加到一定范圍時(shí)，其與底物中氧化性物質(zhì)的競爭對降低降解速率起著至關(guān)重要的作用，因此去離子水與廢水相比，四環(huán)素的降解率會(huì)更低[25]。

2.6 超聲的功率和頻率

對于這一現(xiàn)象，有人提出解釋，由于空化而產(chǎn)生的其他氣泡會(huì)將聲波從溶液中散射到容器壁或返回?fù)Q能器，因此當(dāng)超聲功率超過極限時(shí)會(huì)降低過程去除效率[18]。還有另一種解釋，即由于功率強(qiáng)度的急劇增加而導(dǎo)致的大量微小氣泡會(huì)聚結(jié)形成更大的氣泡并減少空化現(xiàn)象[37]。因此，超過一定極限的超聲功率會(huì)導(dǎo)致能量效率降低，并在US-PS系統(tǒng)中形成較少量的自由基。

2.7 其他因素

除了上述介紹幾種因素之外，還需要考慮一些通過影響超聲分解效率進(jìn)而間接影響有機(jī)污染物的分解速率的因素，其中包括表面張力、蒸氣壓、以及液體類型等[18]。相較于其他溶液，有機(jī)溶劑的表面張力低且蒸氣壓較高，而其高蒸氣壓會(huì)防止空化氣泡的瞬時(shí)破裂，不適用于聲化學(xué)反應(yīng)，因此，水通常是聲分解法中使用最廣泛的反應(yīng)介質(zhì)，而不是有機(jī)溶劑[9-10]。

3 結(jié)論與展望

超聲活化過硫酸鹽氧化法是一種很有前途的難降解有機(jī)廢水處理技術(shù)，其降解有機(jī)污染物的效率受到超聲波頻率、超聲波功率、pH值、過硫酸鹽濃度、溫度、共存無機(jī)陰離子等許多因素的影響，但目前針對該技術(shù)的研究仍需加強(qiáng)以下方面的研究：

(1)廢水和天然水體中含有大量有機(jī)化合物，因此在US-PS體系中，需要分析更多的共存有機(jī)物對處理效果產(chǎn)生的影響。

(2)由于廢水中微生物分布廣泛，基質(zhì)成分復(fù)雜，因此應(yīng)分析考慮在水生微生物存在下，超聲波活化過硫酸鹽氧化體系對有機(jī)污染物的去除率。

(3)目前超聲活化過硫酸鹽的反應(yīng)過程還存在許多未知，因此應(yīng)加強(qiáng)對其機(jī)理的研究，進(jìn)而將該技術(shù)盡早應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中。