超声空化效应降解水中头孢菌素的研究

超声空化效应降解水中头孢菌素的研究

宫泽明、刘坤超、刘媛媛

（山东协和学院，山东济南  250109）

摘要 ：超声空化技术对抗生素废水的降解效果取决于多项因素，包括声波频率、声压级、处理时间、废水pH值、温度等。适当的声波条件可以促使抗生素分子的断裂和氧化反应，进一步降解和去除废水中的抗生素。不同种类的抗生素在超声空化过程中的降解效果可能存在差异，本文研究该技术对废水中其他有机污染物的去除效果，在实验中针对具体废水样品进行实验和优化，以确定最适合的超声空化参数和条件。

关键词 ：废水处理；超声空化作用；头孢菌素

山东协和学院2023年实验室开放项目《超声空化效应降解水中头孢菌素的研究》项目编号：2023SYKF35

引言

超声空化是一种物理处理技术，通过高强度声波的作用产生气泡，当气泡迅速膨胀和坍缩时，会在液体中产生剧烈的冲击力和高温高压区域，从而实现对废水中污染物的去除。对于抗生素废水中的抗生素残留物，超声空化技术可以在一定程度上进行降解和去除。超声空化降解抗生素废水的过程中，声波的作用会导致液体的剧烈振荡和气泡的形成与坍塌。这种振荡和气泡形成与坍塌的过程可以产生高温高压、激波、剧烈液流等物理效应，从而破坏抗生素的分子结构或使其溶解在水中。

此外，超声空化技术通常作为废水处理中的一部分，与其他处理方法（如生物处理、化学氧化等）结合使用，以达到更好的处理效果和综合去除废水中的抗生素和其他污染物。综合应用多种处理方法可以提高废水治理的效率和彻底性。
需要注意的是，抗生素废水是一个复杂的环境问题，除了技术手段，还需要政府、行业和社会各方的共同努力，采取综合的管理和控制措施，从源头减少抗生素的使用和排放，以及加强废水处理和监管，以减少对环境和人类健康的潜在影响。

1 实验材料

主要仪器设备：紫外可见分光光度计2台、数显 pH 计2台、电子分析天平4台、BOD5 测定仪1台、电热恒温水浴锅1台、超声波细胞粉碎机1台等。

实验耗材：氢氧化钠10瓶、头孢克肟分散片1包、蒸馏水2桶等。

2 实验内容及结果分析

分析溶液pH值、超声波功率，溶液浓度以及温度等因素对超声空化效应降解头孢菌素的影响，通过动力学拟合结果对各影响因素进行比较，得出最佳的工艺条件。

（1）pH值对超声空化效应降解头孢菌素的影响

将溶液pH分别调节为 2、3、5、7、9、11，计算头孢克肟溶液的CODcr 去除率，实验结果如表2-1。

表2.1  pH值对头孢克肟降解的影响

头孢菌素的溶解度和稳定性通常会随pH值的变化而变化。不同的头孢菌素类似物在酸性、中性和碱性溶液中的性质可能存在差异。超声空化过程中，溶液中产生的高温高压、剧烈振荡和激波对头孢菌素的稳定性和溶解度可能产生影响。因此，废水溶液的pH值可能会影响头孢菌素的降解速率和效率。超声空化过程中，声波的能量可以提供活化能，促使头孢菌素分子发生断裂、氧化和其他降解反应。pH值对头孢菌素降解反应的反应动力学可能会产生影响。在不同pH值条件下，头孢菌素分子的化学特性（如酸碱性的功能基团、解离程度等）可能会发生变化，从而影响头孢菌素的反应速率和降解效果。超声空化过程中，废水中的头孢菌素分子可能发生断裂和氧化，形成一系列反应产物。这些反应产物的种类和浓度可能会受到溶液的pH值的影响。不同pH值下，头孢菌素分子的反应途径和产物可能会有所不同，从而影响废水中头孢菌素的最终降解和去除。

（2）超声波功率对超声空化效应降解头孢菌素的影响

取6份浓度为 20mg/L 的头孢克肟溶液，设定超声波功率分别为100W、200W、300W、400W、500W、600W，计算头孢克肟溶液的CODcr 去除率，实验结果如表2-2。

2.2  超声功率对头孢克肟降解的影响

超声功率是超声空化过程中的一个重要参数，对头孢克圬的降解效果有影响。较高的超声功率通常可以提高降解效率和速度，但在实际应用中需要综合考虑降解效果、能耗和设备影响等因素，选择适当的超声功率水平。具体的超声功率设置和优化需要进行实验和评估，以确定最佳的处理条件。超声空化技术通过高强度声波的作用，在液体中产生剧烈的冲击力和高温高压区域，能够破坏有机污染物的分子结构并降解它们。超声功率是指声波的强度，通常以单位体积的能量输出来表示。超声功率的增加也存在一定的限制。

（3）溶液浓度对超声空化效应降解头孢菌素的影响

配置 50mL 浓度为 10mg/L、20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L 的溶液，计算头孢克肟溶液的CODcr 去除率，实验结果如表2-3。

表 2.3 初始浓度对头孢克肟降解的影响

溶液中头孢菌素的浓度可以影响超声空化降解过程中的反应速率。较高的溶液浓度通常会导致更多的头孢菌素分子参与超声空化反应，增加反应的速率。这是因为较高的溶液浓度意味着更多的头孢菌素分子与超声波的能量相互作用，使分子更容易发生断裂、氧化和其他降解反应。溶液浓度还可以影响超声波的透射性。较高的溶液浓度可能会增加超声波在溶液中的散射和吸收，限制超声波的有效传播和能量传递。这可能会降低超声空化效应对头孢菌素的降解效率。因此，对于较高浓度的头孢菌素溶液，可能需要调整超声空化设备的操作参数，以获得最佳的处理效果。溶液浓度还可以影响头孢菌素超声空化降解的降解产物和降解途径。在较高浓度下，可能会出现头孢菌素的聚集态或凝视态，影响分子间的反应或转变。这可能导致降解产物的种类和浓度发生变化，从而影响头孢菌素的最终降解效果。

3结论

（1）废水溶液的pH值可以对超声空化效应降解头孢菌素的降解效果产生一定的影响。为了确定最佳的处理条件，应当综合考虑头孢菌素的物化性质、反应动力学以及废水处理的要求，进行实验和测试，选择合适的pH值范围和操作条件。同时，还需要注意超声空化过程中的溶液稳定性和安全性，以保证处理效果和设备操作的稳定性。

（2）过高的功率可能导致超声空化系统的不稳定性，并引发产生气体根和腐蚀等问题。因此，选择适当的超声功率范围，以避免不必要的问题和安全隐患。超声功率是超声空化过程中的一个重要参数，对头孢克圬的降解效果有影响。较高的超声功率通常可以提高降解效率和速度，但在实际应用中需要综合考虑降解效果、能耗和设备影响等因素，选择适当的超声功率水平。具体的超声功率设置和优化需要进行实验和评估，以确定最佳的处理条件。

（3）溶液浓度可以对超声空化效应降解头孢菌素的降解效果产生一定的影响。为了确定最佳的处理条件，应当综合考虑头孢菌素的浓度范围、反应速率、透射性以及废水处理的要求，进行实验和测试，选择合适的浓度范围和操作条件。同时，还需要注意超声空化过程中的溶液稳定性和安全性，以保证处理效果和设备操作的稳定性。

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宫泽明（2003-），男，山东协和学院，山东济南，环境设计专业2023级本科学生；刘媛媛（1983-），通讯作者，女，山东协和学院，山东济南，副教授，硕士研究生。