超聲活化過硫酸鹽降解廢水中有機物效果的影響因素

張楠，陳蕾

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

1 超聲活化過硫酸鹽的機理

2 影響US-PS系統去除效率的因素

在有機污染物的降解過程，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、共存無機陰離子等[18]，不同分子結構有機物的降解機理存在顯著差異[19]。

2.1 過硫酸鹽的初始濃度

過硫酸鹽的初始濃度對US-PS系統中有機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行了降解全氟醚羧酸的實驗，結果表明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行雙酚A氧化實驗，發現當PS濃度從1 mg/L增加到100 mg/L時，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，有機污染物的去除率呈上升趨勢。

以上這些結果表明，隨著過硫酸鹽濃度的增加，可能會產生更多的硫酸鹽自由基，導致有機物的降解速度更快。但是，Gayathri等發現，當過硫酸鹽濃度達到1.6 g/100 mL時，其處理污水的脫色效率將會降低[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

反應溫度是水粘度和傳質系數的關鍵變量。據經常報道，溫度升高對污染物降解有積極影響[18]。當溫度從25 ℃增加到65 ℃時，四環素的降解速率常數從0.017 5增加到0.157 3 min-1，且四環素在65，55，45 ℃下反應，分別經過60，90，120 min后得到完全降解[25]。這種現象可能是由于溫度升高，使得氧化劑和中間產物的分子運動增強所導致的[18]。

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

2.4 共存無機陰離子

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

2.5 共存有機物

除無機陰離子外，廢水中共存的有機物對目標有機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基質對聲活化過硫酸鹽氧化的影響[18]。有研究發現，在腐殖酸濃度為17.5～35 mg/L 的情況下，由于其與雙酚A的反應性自由基之間存在顯著競爭，因此導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，結果發現考馬斯亮藍的降解率由82%降低到了76%[34]。同時，由于人類對含有表面活性劑物質的使用量的增加，目前表面活性劑已成為廢水和天然水中共存有機物的常見成分，研究發現，在十二烷基硫酸鈉的作用下，考馬斯亮藍的降解受到了明顯的抑制[34]。

Nasseri等利用去離子水，瓶裝水，自來水和廢水進行實驗，研究了共存有機物對四環素去除的影響[25]。研究發現，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物[25]。當有機物含量增加到一定范圍時，其與底物中氧化性物質的競爭對降低降解速率起著至關重要的作用，因此去離子水與廢水相比，四環素的降解率會更低[25]。

2.6 超聲的功率和頻率

對于這一現象，有人提出解釋，由于空化而產生的其他氣泡會將聲波從溶液中散射到容器壁或返回換能器，因此當超聲功率超過極限時會降低過程去除效率[18]。還有另一種解釋，即由于功率強度的急劇增加而導致的大量微小氣泡會聚結形成更大的氣泡并減少空化現象[37]。因此，超過一定極限的超聲功率會導致能量效率降低，并在US-PS系統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而間接影響有機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，有機溶劑的表面張力低且蒸氣壓較高，而其高蒸氣壓會防止空化氣泡的瞬時破裂，不適用于聲化學反應，因此，水通常是聲分解法中使用最廣泛的反應介質，而不是有機溶劑[9-10]。

3 結論與展望

超聲活化過硫酸鹽氧化法是一種很有前途的難降解有機廢水處理技術，其降解有機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、共存無機陰離子等許多因素的影響，但目前針對該技術的研究仍需加強以下方面的研究：

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

(2)由于廢水中微生物分布廣泛，基質成分復雜，因此應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污染物的去除率。

(3)目前超聲活化過硫酸鹽的反應過程還存在許多未知，因此應加強對其機理的研究，進而將該技術盡早應用于實際工程當中。