申请日2007.02.16
公开(公告)日2007.09.19
IPC分类号C02F1/78
摘要
超声诱导臭氧空化处理工业废水的方法，是一种应用于对工业生产造成的水质污染进行处理，经济、环保的废水处理技术，该方法在工业废水中充放微米级的臭氧气泡作为空化核，再经超声辐射诱导微米级的臭氧气体产生空化效应，产生更多起氧化作用的氧自由基和H2O2，同时加速臭氧气体在工业废水中扩散和氧化反应。在处理工业废水时，诱导微米级的臭氧气体产生空化效应所施加的超声频率为20～800kHz，声强>20W/cm2。该方法将提高工业废水的处理的能力和效率。
权利要求书
1.一种超声诱导臭氧空化处理工业废水的方法，其特征在于该方法在工业 废水中充放微米级的臭氧气泡作为空化核，再经超声辐射诱导微米级的臭氧气体 产生空化效应，产生更多起氧化作用的氧自由基和H2O2，同时加速臭氧气体在工 业废水中扩散和氧化反应。
2.如权利要求1所述的超声诱导臭氧空化处理工业废水的方法，其特征在 于在处理工业废水时，诱导微米级的臭氧气体产生空化效应所施加的超声频率为 20～800kHz，声强>20W/cm2。
3.如权利要求1所述的超声诱导臭氧空化处理工业废水的方法，其特征在 于微米级的臭氧气泡是将臭氧气体通过一组微米级喷孔的喷气头充入工业废水中得到的。
说明书
一种超声诱导臭氧空化处理工业废水的方法
技术领域
本发明涉及一种用于工业废水的处理的方法，应用于因工业生产造成水质污 染的处理，属利用超声空化和O3氧化技术安全、经济的处理工业废水的环保技术 领域。
背景技术
1、超声空化
超声波技术是近年来发展起来的一种新型的环境技术，被称为环境友好技 术。利用超声波降解(sonolysis)水中的化学污染物，尤其是难降解的有机污染物， 是近年来发展起来的一项新型水处理技术。超声波是指频率比人耳可能听到的频 率范围更高(>16kHz)的弹性波，大振幅超声波(低频率)能量集中，可使介质产生 剧烈振动，常用于超声清洗、钻孔、化学处理、乳化等方面。近年来，国内外开始 研究超声波应用于水处理，尤其对废水中难降解有机物的治理研究，已取得一定 成果，随着声化学的诞生和发展，超声波对有机物的降解逐渐受到重视并得到了 广泛的研究。超声波由一系列疏密相间的纵波构成，并通过液体介质向四周传播。 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400K和100MPa的局部高 温高压环境，并产生速度约400km/h具有强烈冲击力的微射流，这种现象称为超 声空化。这些条件足以使有机物在空化泡内发生化学键断裂、水相燃烧(aqueous combustion)、高温分解(pyrolysis)或自由基反应。
2、臭氧(O3)氧化
臭氧是氧的同素异形体，分子式为O3，是一种具有刺激性特殊气味的不稳定 气体。在正常温度下，臭氧为蓝色，不过在通常的浓度下(10-20G/M3臭氧化空 气中)，蓝色并不明显。臭氧由于其在水中有较高的氧化还原电位，常用来进行 杀菌消毒、除臭、除味、脱色等，在饮用水处理中有着广泛的应用。但臭氧应用 于废水处理还存在着一些问题，如臭氧的发生成本高、臭氧气泡直径大，而利用 率偏低，使臭氧处理的费用高;臭氧与有机物的反应选择性较强，在低剂量和短 时间内臭氧不可能完全矿化污染物，且分解生成的中间产物会阻止臭氧的进一步 氧化。臭氧的高级氧化技术就是通过臭氧化与各种水处理技术的组合，形成氧化 性更强、反应选择性较低的羟基自由基。因此，提高臭氧利用率和氧化能力就成 为臭氧高级氧化法的研究热点。
3、现存问题
一方面，由于工业废水中空化核(微气泡)含量很少，现有充放臭氧技术的 气泡直径大，不能作为超声作用的空化核，使得使用超声处理时空化效率较低; 另一方面，单独使用臭氧处理工业废水时，由于臭氧溶解度低，且与有机物的反 应选择性较强，在低剂量和短时间内臭氧不可能完全矿化污染物，同时分解生成 的中间产物会阻止臭氧的进一步氧化，影响臭氧处理工业废水的效率。
臭氧的高级氧化技术就是通过臭氧化与各种水处理技术的组合，形成氧化性 更强、反应选择性较低的羟基自由基。因此，提高臭氧利用率和氧化能力就成为 臭氧高级氧化法的研究热点。
4、超声与臭氧协同作用
O3是一种氧化性很强的强氧化剂，具有良好的杀菌消毒和氧化降解污染物的 能力，但因其在水中的溶解扩散速率低、运行费用高。研究发现，超声对这些有 机物有良好的降解作用，对O3在水中的分解具有良好的催化作用，可以提高O3 的利用率。超声的作用具体表现在：
(1)超声提高O3的溶解速率
O3是一种氧化性强而溶解度低的气体，O3的溶解过程可以用通用的气体传递 双膜理论来说明，要提高O3溶解速率，可以从两方面进行强化：
一是提高O3与水的接触面积;
二是增加水质混合强度和紊动强度，高强度混合和剧烈紊动能降低液膜厚 度，减少阻力，增大O3扩散速率常数KG，提高O3的溶解速率。
研究发现，超声波可将含O3的气泡粉碎成“微气泡”，其直径可达 0.2-0.3μm，而一般从曝气头释放出的气体直径为0.5-1.0cm的“微气泡”，总 表面积比一般气泡高103-104倍，结果使O3与水接触面积骤增。O3被粉碎成“微 气泡”后，其溶解速度理论上可以提高103-104倍。空化泡崩溃产生的冲击波可 以加强水的紊动，降低液膜厚度，减少O3溶于水的阻力，提高其溶解速度，使得 O3的强氧化性得到充分的发挥，提高了O3的利用率。研究结果表明：当外加工率 为54W超声波时，O3溶于水的传质速率常数提高了57%。
(2)超声波强化O3的分解
在超声波下，O3可以进入空化泡中，在空化时产生的局部高温高压条件下迅 速分解，释放O自由基。因此，超声强化O3氧化能力是由于超声空化效应促使空 化泡中O3未经溶解扩散过程，在气态时产生快速分解，直接释放自由基。所以， O3利用率大为提高，其强氧化性得到充分发挥。
(3)超声改变O3分解产物
研究发现，O3在水溶液中的氧化作用取决于分解条件和分解机理。一般认为： O3在水中的分解过程受到OH-的催化作用，很快被还原。而且O3在没有受到超声 作用时，其自生分解产物为O2。O2虽然是一种氧化剂，但在常温常压下，氧化能 力差。超声对O3分解速度具有强烈的强化作用，其分解产物是H2O2。在超声波作 用下，水可以产生裂解：O3在超声作用下，产生更多O自由基，H2O受超声作用， 也产生。所以，最终产物为H2O2。是一种氧化性物质，具有氧化有机物的作用。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种超声诱导臭氧空化处理工业废水的方 法，用该方法处理工业废水不仅成本低，无二次污染，而且能提高工业废水的处 理的能力和效率。
技术方案：本发明的超声诱导臭氧空化处理工业废水的方法是在工业废水 中充放微米级的臭氧气泡作为空化核，再经超声辐射诱导微米级的臭氧气体产生 空化效应，产生更多起氧化作用的氧自由基和H2O2，同时加速臭氧气体在工业废 水中扩散和氧化反应。在处理工业废水时，诱导微米级的臭氧气体产生空化效应 所施加的超声频率为20～800kHz，声强>20W/cm2。微米级的臭氧气泡是将臭氧气 体通过一组微米级喷孔的喷气头充入工业废水中得到的。
将超声与臭氧协同作用，在处理工业废水时将臭氧充放和超声辐射共同作 用。一方面，通过一组μm级的喷气头在工业废水中充放μm级的臭氧气体作为空 化核，经超声辐射产生空化效应，产生更多起氧化作用的氧自由基和H2O2;另一 方面，超声催化臭氧分解，使其氧化利用率提高;达到超声与臭氧协同作用的目 的，提高工业废水的处理的能力和效率。
有益效果：采用本发明的方法处理工业废水不仅成本低，无二次污染，而且 能提高工业废水的处理的能力和效率。例如利用本发明的方法处理某化纤厂的工 业废水，经48小时的处理，其COD值由处理前的8164.66降低至80.99，COD值 去除率大于99%，达到国家有关工业废水排放COD值小于100的要求;处理耗时 48小时低于某化纤厂现有的工业废水处理技术3～4天的耗时;处理成本为5元/ 吨，低于某化纤厂现有的工业废水处理技术10元/吨的费用;达到了高效、低成 本处理工业废水的目的。