冯中营，赵婷婷

(1 太原工业学院理学系, 山西 太原030008；2 陕西师范大学应用声学研究所，陕西 西安710062)

0 引 言

声化学的主动力是空化，而最终的、直接的转换目标是产生大量、强“活性”的空化气泡.因此，对于大流量的液体的处理，使用流体动力式空化发生器引起了众多声化学应用研究者的考虑.水力空化容易产生，空化的操作参数更容易实现控制，使用更加方便，效率更高；但是单独水力空化的降解效果也是有限的，通过与其他方法结合可以获得更好的降解效果[1-6].臭氧长期以来就被认为是一种有效的氧化剂和消毒剂，并对有机染料具有较好的降解效果，但将臭氧通入反应器后，会有大量的臭氧立即逃逸出反应液，从而不能参与反应而造成大量的臭氧被浪费.环境中臭氧浓度过高还会对人造成一定的危害.将水力空化与臭氧联合，不但可以减少臭氧的使用量，避免臭氧浪费，而且获得更好的降解结果.本研究选用罗丹明B(Rhodamine B)作为降解的物质，它又称玫瑰红B,或碱性玫瑰精，俗称花粉红，是一种具有鲜桃红色的人工合成的染料.经老鼠试验发现，罗丹明B会引致皮下组织生肉瘤，被怀疑是致癌物质，因此降解水中的罗丹明B可以减少污染从而减少癌症发病率.

本研究采用相同穿孔面积，两种不同孔径和孔数的孔板，研究探讨水力空化、臭氧与水力空化联合降解罗丹明B的效果，使得臭氧利用率达到最高.

1 实验部分

1.1 试 剂

Rhodamine B，分析纯，分子式C28H31ClN2O3，分子量479.02.实验中用蒸馏水配制罗丹明B质量浓度为2 mg/L.

1.2 分析方法

本研究通过不同实验条件下的不同降解方式对罗丹明B的降解率来评测降解效果.通过测定罗丹明B反应前后的浓度来求得水力空化对罗丹明B的降解率.浓度测定采用紫外可见分光光度计，通过测量罗丹明B溶液的吸光度(Abs.)后由仪器自动计算其浓度，其原理是朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，物质在一定波长的吸光度与它的吸收介质的厚度和吸光物质的浓度呈正比.

2 结果与讨论

本研究首先进行了单独臭氧降解实验，臭氧、水力空化依次降解实验；最后进行两种穿孔板在通入不同通气量臭氧时的联合降解实验，研究通入臭氧对降解效果的影响.

2.1 臭氧降解实验

在不同的臭氧通气量条件下，罗丹明B降解率随时间的变化关系如图1所示.

图1 降解率随时间的变化关系Fig.1 Effect of time on the degradation

臭氧单独作用时降解率随时间的延长而增加，随通气量的增加而增加.在通气量为1 L/min时，经过10 min，罗丹明B的降解率为21.17%，经过20 min，罗丹明B的降解率就达43.87%，经过60 min，降解率可达82.23%.

2.2 臭氧、水力空化降解实验

2 mm孔径、孔数为9的穿孔板与通气量为1 L/min的臭氧联合，臭氧通入实验容器中，而不通入实验管道，此时可以认为臭氧先参与降解反应，然后水力空化参与降解反应，两者之间无联合协同作用关系.当穿孔板的进口压强为0.2 MPa时，罗丹明B降解率随时间的变化关系如图2所示.

图2 降解率随时间的变化关系Fig.2 Effect of time on the degradation

随着时间的延长，罗丹明B的降解率增加，10 min后，罗丹明B的降解率为27.70%，经过20 min，罗丹明B的降解率就达51.81%，处理60 min时，降解率可达86.55%.通过与前面的实验数据对比可以得出，用臭氧及水力空化降解罗丹明B，其降解率仅比单独臭氧降解略有提高，其结果近似为单独臭氧降解与单独水力空化降解效果之和.

2.3 臭氧、水力空化联合降解罗丹明B的降解率随气体通气量的变化关系

a. 在孔径为1 mm、孔数为36的穿孔板通入臭氧，在进口压强为0.3 MPa时，改变臭氧通气量，罗丹明B降解率随臭氧通气量的变化关系如图3所示.

图3 降解率随臭氧流量的变化关系Fig.3 Effect of ozone flux on the degradation

图3表明，降解率随臭氧通气量的增大而增大，当通气量大于0.7 L/min后，由实验数据的变化趋势观察，通入过量的臭氧后降解率变化不明显.通入过多的气体还会抑制水力空化，所以存在一个最佳的臭氧通气量.

在1 mm孔径穿孔板，通气量都为1 L/min时的三种不同情况降解率列于表1，对比看出：水力空化、臭氧联合作用大大提高罗丹明B的降解率.

表1 不同降解方式的降解率对比表Table 1 Comparison table of degeneration rate of different degeneration methods

b. 孔径为2 mm、孔数为9的穿孔板与臭氧联合，在进口压强为0.2 MPa时，降解率随臭氧通气量的变化关系如图4所示.

图4 降解率随臭氧流量的变化关系Fig.4 Effect of ozone flux on the degradation

由图4可知，降解率随臭氧通气量的增大而增大，通入过量的臭氧不仅不促进罗丹明的降解还会抑制水力空化的产生，最佳通气量为0.7 L/min.

对于孔径为2 mm穿孔板，通气量为1 L/min时，三种不同情况降解率列于表2，也表明了水力空化、臭氧联合作用大大提高罗丹明B的降解率.

表2 不同降解方式的降解率对比表Table 2 Comparison table of degeneration rate of different degeneration methods

c. 换用不同的穿孔板在不同的条件下实验，结果见表3，降解时间为20 min，结果同样表明联合降解的效果非常好.

表3 不同条件下联合降解率明细表Table 3 Detailed list table of degeneration rate under the dissimilar condition

在联合降解中无限增加臭氧通气量，造成臭氧的浪费.本实验中的通气量最佳值是根据实验结束后立即测得的数据而得出的，实践表明，臭氧通入量大于1 L/min时，反应溶液经过一段时间的静置后，降解率还会升高.

4 机理探讨

通入空气气体为水力空化提供了更多的空化气泡核，提高了水力空化效应；通气量过大，大量的气泡则会抑制水力空化的产生.

水力空化与臭氧联合，对罗丹明B的降解率大大提高，从降解的机理分析，水泵的机械作用将臭氧气泡粉碎成微气泡，极大地提高了臭氧的溶解速度，水中的罗丹明B受高浓度的臭氧作用迅速被氧化降解；水力空化效应产生局域高温高压条件促使空化泡中O3的直接快速的分解，在溶液中产生了更多的具有活性的HO·.HO·自由基氧化性极强，加速了罗丹明B的氧化降解；空化效应促使O3分解产物由常温常压下氧化性弱的O2转化成常温常压下氧化性强的H2O2，使得罗丹明B降解的效果更好.

5 结 语

臭氧(O3)是一种强氧化气体，对罗丹明B具有很好的降解作用，臭氧通气量越高，降解效果越好.

对于不同的穿孔板或者不同进口压强下的同一穿孔板，臭氧与水力空化联合后对罗丹明B的降解效果远高于单独臭氧的降解效果.臭氧与水力空化联合作为一种不会带来二次污染的水处理方式具有很好的应用前景，并为我国的声化学从实验室到实用化工作提供了一条思路[7-8].

参考文献：

[1] 刘东，余军霞，黄彪，等. TiO2纳米管降解罗丹明B[J]. 武汉工程大学学报, 2011, 33(1): 15-18.

[2] 孙家寿，石眺霞，张蕾，等. Ti/Fe层柱累托石电催化降解硝基苯废水的研究[J]. 武汉工程大学学报, 2007, 29(3): 30-33.

[3] Jyoti K K, Pandit A B. Water disinfection by acoustic and hydrodynamic cavitation[J]. Biochemical Engineering Journal, 2001 (7): 201-212.

[4] Sivakumar M, Pandit A B. Water treatment: a novel energy efficient hydro- dynamic cavitational technique[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2002(9): 123-131.

[5] 魏群，高孟理，学三祥，等. 水力空化降解若丹明B的实验研究[J]. 兰州理工大学学报，2005, 31(4): 75-78.

[6] Testud P, Moussou P, Hirschberg A, et a1. Noise generated by cavitating single-hole and multi-hole orifices in a water pipe[J]. Journal of Fluids and Structures, 2007, 23: 163-189.

[7] 应崇福. 我国的声化学应尽快大力开展实用化工作[J]. 应用声学, 2005, 24(5): 265-268.

[8] 应崇福. 液体中的声处理应用和声空化工程[J]. 应用声学, 2005, 25(5): 261-264.