治理的有機廢水，也是國內外廢水處理的一大難題。甲基橙是一種水溶性偶氮染料，被廣泛應用于紡織、造紙、印染、制藥和食品工業，在染料廢水中具有一定的代表性；另外甲基橙在紫外可見光譜中有一特征吸收峰，易于實驗和檢測。對于偶氮染料甲基橙廢水，目前主要的處理方法有吸附法、絮凝沉淀、電化學法、氧化法和生物降解法〔1, 2〕，但常規的處理方法很難達到理想的處理效果。
近年來，超聲波作為一種新型水處理方法，因具有去除效率高、反應時間短、設施簡單等特點而備受關注〔3, 4〕，并被廣泛應用于污水處理〔5, 6〕。超聲處理廢水的機理是超聲空化，空化效應產生了高溫高壓、超臨界水狀態以及羥基自由基（·OH），這些極端的物理化學條件為水中有機物氧化降解提供了可能。湯茜等〔7, 8〕的研究結果表明，單獨使用超聲對甲基橙的降解效果不明顯。另有研究表明，采用高頻超聲及復頻超聲降解偶氮染料，脫色效果明顯〔9〕。本研究采用復頻超聲波污水處理裝置處理甲基橙模擬廢水，并對影響處理效果的因素進行了考察。
1 實驗部分
1.1 實驗裝置
自制復頻超聲波污水處理裝置〔10〕見圖 1。其中 A-A 剖視圖主要體現3 個換能器的平面布置。
圖 1 復頻超聲波污水處理裝置
自制復頻超聲波污水處理裝置是一臺污水處理的中試機（發明專利：ZL201010129830.6）。該裝置采用3 個獨立的換能器，頻率分別為20、100、 200 kHz；每個換能器功率為0～200 W 可調。3 個換能器同時工作，復合功率可達500 W，3 種頻率相互迭加形成混響場〔11〕。
1.2 實驗儀器
實驗所用儀器有722 型分光光度計（上海菁華科技儀器有限公司）、5B-1（F）型COD 快速測定儀（蘭州連華環保科技有限公司）、pHS-3C 型酸度計（上海雷磁儀器廠）、RHS10 型水聽器（杭州瑞利超聲器件公司）、TDS1012B 型示波器（美國Tektronix）等。
1.3 實驗步驟
（1）配制不同濃度的甲基橙溶液。取1.00 g 甲基橙于1 000 mL 容量瓶中，用水稀釋至刻度，以此作為儲備原液。按實驗要求對儲備原液進行稀釋，配制成不同濃度的甲基橙溶液。
（2）正交實驗。以超聲作用時間、甲基橙初始濃度及超聲功率為影響因素，以脫色率為評價指標進行正交實驗，考察各因素對處理效果的影響。
（3）其他影響因素分析。在正交實驗得出的最佳工藝條件下，考察溶液pH、溫度以及加入氯鹽對脫色率和COD 去除率的影響。
1.4 測定方法
COD 的測定采用重鉻酸鉀法，COD 去除率按式（1）進行計算：
式中：C0———溶液初始 COD，mg/L；
C———處理后溶液 COD，mg/L。
甲基橙濃度采用分光光度法，在465 nm 波長下測定，脫色率按式（2）進行計算：
式中：A0———溶液初始吸光度；
A———處理后溶液吸光度。
2 實驗結果與討論
前期實驗結果表明，頻率越高，降解速率越快，故本研究采用超聲頻率為20 kHz+100 kHz+200 kHz 的復頻超聲波污水處理裝置處理甲基橙模擬廢水，在此基礎上，進一步研究了其他條件對降解甲基橙模擬廢水的影響。
2.1 正交實驗
根據本實驗裝置的性能及前期實驗結果確定的正交實驗因素水平見表 1，正交實驗結果見表 2。
由表 2 可知，各因素的權重為復頻超聲功率＞超聲作用時間＞甲基橙初始濃度； 當甲基橙初始質量濃度為10 mg/L，超聲功率為300 W，超聲作用時間為90 min 時，脫色率達到最大，為95.77%。
根據實驗裝置的性能，考慮到時間和功率的交互作用，確定150 W 為最佳功率。
因此，復頻超聲降解甲基橙模擬廢水的最佳工藝條件為甲基橙初始質量濃度10 mg/L、復頻超聲功率150 W、超聲作用時間90 min，在此條件下，脫色率達89.6%。
2.2 溶液pH 的影響
取10 mg/L 的甲基橙溶液，調節pH，在復頻超聲功率為150 W ，超聲作用時間為90 min 的條件下，考察溶液pH 對處理效果的影響，結果如圖 2、圖 3 所示。
圖 2 溶液pH 對脫色率的影響
圖 3 溶液pH 對COD 去除率的影響
由圖 2 可知，當pH 在3～8 時，脫色率的起伏較小，保持在85%～90%；當pH=2 時，脫色率最高，達 98%以上。復頻超聲對甲基橙的脫色效果與溶液的 pH 密切相關，pH=2 時的脫色率遠比堿性條件下高，這是因為在pH＜3 的酸性條件下甲基橙為醌式結構，而堿性條件下為偶氮式結構，醌式結構甲基橙的疏水性比偶氮結構大，更容易擴散到疏水性的空化泡內及氣-液界面上被·OH 氧化和高溫熱解。但 pH 不可過低，因為H+濃度過高會抑制H2O 向羥基自由基的轉化。
由圖 3 可知，當pH 在3～7 時，COD 去除率保持在90%以上，當pH=6.8 時，COD 去除率達到最大，為96.7%。
實驗結果表明，當pH 在3～7 時，脫色率和COD 去除率可分別保持在90%和95%左右；單獨考慮脫色率時，pH=2 時為最佳。
2.3 其他因素的影響
在10 mg/L 的甲基橙溶液中加入0.25～1.00 g/L 的CaCl2、BaCl2 和NaCl，在復頻超聲功率為150 W ，超聲作用時間為90 min 的條件下，考察氯鹽種類及其投加量對處理效果的影響。實驗結果表明，脫色率和COD 去除率均隨氯鹽濃度的增大而增大，其中以 CaCl2 最為顯著。添加0.75 g/L 的CaCl2 可使10 mg/L 的甲基橙模擬廢水的脫色率和COD 去除率均超過 96%。氯鹽的種類和濃度對處理效果的影響與氯鹽的溶解度、電離度有關，溶解度、電離度越大，溶液中離子濃度就越大，從而抑制甲基橙分子轉變為離子態，使更多的甲基橙分子進入空化泡，提高了降解速率。
將10 mg/L 甲基橙溶液的溫度分別控制在15、 35、50 ℃，在復頻超聲功率為150 W ，超聲作用時間為90 min 的條件下，考察溫度對處理效果的影響。結果表明，溫度對脫色率的影響較大，對COD 去除率幾乎沒有影響。溫度越高，脫色率越大，當溫度由 15 ℃ 升高到50 ℃時，脫色率由77% 提高到96%。這是由于溶液的黏度隨溫度的升高而減小，從而有利于甲基橙分子進入空化泡進行高溫熱解。但溫度不能過高，溫度過高，蒸氣壓過大，會減弱空化作用。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
3 結論
采用超聲頻率為20 kHz+100 kHz+200 kHz 的復頻超聲波污水處理裝置處理甲基橙模擬廢水的最佳工藝條件：甲基橙初始質量濃度為10 mg/L，復頻超聲功率為150 W，超聲作用時間為90 min。在最佳工藝條件下，當10 mg/L 的甲基橙溶液的pH=2 時，脫色率達98%，COD 去除率達71%； 添加0.75 g/L 的CaCl2 及控制溫度為50 ℃，均對甲基橙降解有利。實驗證實，采用復頻超聲處理甲基橙廢水效果顯著，復頻超聲功率、超聲作用時間、甲基橙溶液初始濃度、pH、溫度及添加氯鹽均影響復頻超聲處理甲基橙廢水的效果。
