超聲波殺菌在水質凈化中的研究

張弛，劉軒

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超聲波殺菌在水質凈化中的研究

張弛，劉軒

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

超聲波殺菌是一種新興的水處理技術，具有反應條件溫和、處理效率高和無二次污染的特點，目前已經成功用于廢水處理和食品殺菌等領域。介紹了超聲波殺菌機理，指出了超聲波參數、液體介質、作用時間對殺菌效果的影響，介紹了超聲波聯合光催化技術，并分析其聯合光催化技術在飲用水凈化領域中應用的可能。

超聲波；水處理技術；光催化；殺菌機理

傳統的水處理技術可分為三類，分別是物理降解、化學降解、生物治理。物理降解效果差，容易引起反彈，往往達不到預期效果；化學降解很好，但通常會造成二次污染；生物方法對環境有一定的要求，適應性差。超聲波技術作為近十年來新興的水處理技術，具有較高的處理效率，且無二次污染，引起了學者的關注。根據現在的已有的研究可以表明，超聲波技術可以用于工業廢水、飲用水的處理，同時也有學者研究食品滅菌中超聲波技術的應用。

本文主要就超聲波的殺菌機理，對參數、液體介質及作用時間等影響因素的影響做了介紹，同時結合其聯合技術，對其在飲用水凈化領域進行了分析。

1 超聲波殺菌機理

超聲波指的是頻率在20 kHz以上的聲波，其特征在于有良好的方向性、易于能量集中和良好的穿透性能。同時，因為超聲波具有高頻、短波長的特點，因此能產生空化效應。

根據目前的一些研究成果表明，超聲波的殺菌作用主要是來源于空化效應產生的一系列變化可以有效去除細菌等微生物。

空化效應指的是在一定強度超聲波作用于液體時，當聲波的強度超過了一定界限，在介質中因為聲波振動形成的微小氣泡會在縱向波傳播過程中形成的負壓區和正壓區中發生相應的膨脹和壓縮，從而被激活，具體表現是動態過程，如振蕩、生長、收縮和崩潰。在氣泡最后崩潰時，將產生瞬時的高溫和高壓，崩潰的劇烈壓力變化還會產生沖擊波和射流，同時伴隨著復雜化學變化的產生。其反應過程大致可用以下公式表示：

H2O→·OH+·H

·OH+·OH→H2O2

·H+H2O→H2O2

該反應中生成的H2O2具有弱酸性、氧化性和還原性，產生的·OH自由基有很高氧化電位，其氧化性能僅低于F元素。同時氣泡內的O2也會被裂解成氧化性極強的O·自由基和O3等物質。

在空化過程中，微小的氣泡芯在坍塌時會產生高達5 000 ℃的溫度，并且溫度變化非常嚴重。還將有大約50 MPa的壓力，同時伴隨著強烈的射流和沖擊波的產生。高溫和高壓會使得細菌等微生物的細胞壁或細胞核被破壞，病毒的蛋白質變性，從而實現殺菌消毒的目的。另外，強氧化性的物質，如O·自由基、O3、H2O2、·OH等物質會促使有機物分解，將其氧化為低分子的物質，最終生成物一般為無毒物質。

2 超聲波殺菌的影響因素

大量的實驗研究表明，改變一些條件，將極大地影響超聲波的殺菌效果，產生的差異非常明顯。影響超聲波殺菌效率的要素有超聲波的聲強和頻率、介質、處理時長。

2.1 超聲波性能參數的影響

超聲波的性能參數包括超聲波的功率、頻率和幅度。功率越高，殺菌效果越好，但達到一定程度后，殺菌效果不會上升和下降。其原因可能是因為功率在增大后，在負壓相中微小氣泡膨脹得很大，但在正壓相內卻來不及壓縮到破裂，因此導致空化效應減弱。在某些條件下，振幅具有最佳值。在某一限定范圍內，超聲波的頻率越高，超聲波的殺菌率越高，但是當頻率高過一定的界限之后，殺菌率將會沒有明顯的改變。原因可能是當頻率高到一定程度時，聲波膨脹階段縮短，并且微小氣泡沒有足夠的時間生長到可以產生空化效應的程度，或者氣泡生長到足夠的大小，但處于壓縮相的時間不足，氣泡來不及被壓縮至破裂。在Joyce的實驗中，他們發現采用20 kHz和38 kHz的低頻高功率超聲波要比使用512 kHz和850 kHz的高頻低功率超聲波殺菌效果要好，但是后者破壞細菌團簇的能力更強。

2.2 介質

溫度對空化效應的影響主要是由于對液體表面張力的影響，從而降低了相應的空化閥值，因此更多的微小氣泡將會崩潰，從而增強了空化效果。而溫度過高后，液體中的氣體含量下降，氣泡崩潰時能量將大幅下降，因此將減弱空化效應。Utsunomiy通過頻率為700 kHz的超聲波處理大腸桿菌，控制溫度在32 ℃時，處理10 min后大腸桿菌存活率為0.83%，處理30 min后大腸桿菌的存活率為0.2%；當溫度控制在17 ℃時，大腸桿菌在37 min的存活率為37.9%，30 min后的存活率為8.1%.此外，他還將介質換成了牛奶，然后發現此時超聲波殺菌作用幾乎不存在。而在Guerrero的實驗中，他們發現當介質的pH值在3.0和5.6時，殺菌效果沒有太大差異，因此可以解釋介質的pH值對殺菌效果幾乎沒有影響。

2.3 作用時長

根據目前以有的實驗表明，在一定的范圍內，超聲波殺菌效果同作用的時間為正比例關系，殺菌率隨超聲波處理時間增長而提升。但處理時間過長后，殺菌率將無明顯的提升。 YAHONG YUAN在其實驗中，通過300 W的高頻超聲波處理含有嗜酸耐熱桿菌的果汁，發現當用超聲波處理30 min后殺菌率可達60%左右，1 h后的殺菌率為80%.

3 超聲波聯合光催化技術

超聲波技術與其他凈化技術的結合是當前發展的趨勢，其中包括超聲波與光催化相結合。光催化滅菌的原理是半導體材料在光照下產生光生載流子，并且所產生的載體易與水中的其他顆粒反應，從而產生大量的自由基，可以分解細菌和有機物。超聲波的使用可以增加自由基的數量，同時對催化劑表面有清洗作用，防止催化劑表面因污垢堆積導致的催化活性下降，催化速度降低，從而延長了催化劑的使用壽命，并提高了殺菌效果。

TORRES對照超聲波、光催化和超聲/光催化聯合使用3個條件下處理雙酚A的情況，根據實驗結果來看，在300 kHz/80 W的超聲波處理下，質量濃度為50 mg/ L雙酚在4 h時，組合處理的溶解有機碳（DOC）的去除率比單個超聲波的去除率高約56%.Mahmoud等人也在他們的實驗中發現納米TiO2的使用可以提高超聲波殺菌效果。他們比較了質量濃度為0.2 g / mL的納米催化劑與普通溶液的溶液的超聲波處理結果。結果發現，超聲波處理30 min后，前者的滅菌率為94%，后者僅為18%.此外，用超聲波處理質量濃度為1 g/mL的納米催化劑的溶液30 min后，其殺菌率可高達97%.

4 結論與展望

超聲波技術作為一種新興的水處理技術和殺菌技術，在未來有望能成為解決水質污染的重要手段。但是目前的研究一般針對性較強，研究方向較為分散，對于各種不同的菌種和有機物的去除還不能找到普適性的方法。在與其他技術的聯用中，其聯合規律還沒有理清。

總而言之，當未來能解決處理不同菌種、有機物的實驗參量不同的問題以及消除實際大規模處理下各種參量的影響時，超聲波技術將會改變目前各色廢水難以整治的難題，為水污染治理提供有效的解決途徑。

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2095－6835（2019）05－0098－02

TS252.4

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.098

〔編輯：王霞〕