超声空化效应与其他技术联合降解水中头孢菌素的研究

超声空化效应与其他技术联合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，本文以节约能耗为目的，尝试将超声空化效应与其他技术联合，分析头孢克肟降解率的去除和可生化性提高的情况。

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

1引言

超声空化效应是指在超声波作用下，液体中产生的高压区域在瞬间形成微小气泡，这些气泡随后在低压区域瞬间坍塌，产生极高的温度和压力，从而引起局部的物理、化学变化。结合其他技术，如化学氧化、光催化等，可以增强水中头孢菌素等有机物的降解效果。

超声空化效应还可以与光催化技术相结合，通过超声波产生的气泡增加光催化反应的效率，促进有机物在光催化剂的作用下进行降解。例如，将光催化剂（如二氧化钛）与水中头孢菌素溶液混合，利用超声波产生的气泡提高头孢菌素分子与光催化剂表面的接触，从而增加降解反应速率。

综上所述，超声空化效应与其他技术的联合应用可以提高水中头孢菌素等有机物的降解效率，为水污染治理提供了一种高效、环保的方法。

2实验条件与方法

（1）实验材料

实验采用头孢克肟作为模型污染物，通过稀硫酸或氢氧化钠溶液调节溶液的pH值。同时,使用分析天平准确称量一定量的零价铝(还原铁粉)作为反应剂。

（2）实验仪器设备

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。

（3）实验方案

①本研究以抗生素头孢克肟作为模拟污染物，研究零价铝如何促进超声波(US-FeQ)对抗生素废水的降解过程。我们将深入研究超声波与零价铝的联合作用，在含有头孢克肟的废水处理中的应用。我们还将考察溶液pH值、零价铝的投加量、超声波的功率以及超声辐射时间等因素对抗生素废水中CODcr去除率的影响。此外，我们还将探讨这种联合作用如何提升头孢克肟溶液的可生化性，以期为实际的污水处理工艺设计提供有价值的参考。

②比并分析在三种不同情况下抗生素的去除率：第一种是单独使用零价铝，第二种是单独利用超声空化效应，第三种是将零价铝与超声空化效应结合起来使用。通过这三种情况的比较，我们可以更全面地了解不同处理方法对抗生素去除效果的影响。

3实验结果与分析

（1）对比单独利用零价铝、单独利用超声空化效应以及将零价铝与超声空化效应联合三种情况下，抗生素去除率状况分析。

单独利用零价铝的情况下，其去除抗生素的主要机制是零价铝的还原性和吸附性。零价铝可以通过还原反应将抗生素分子中的某些功能团还原，从而改变其化学结构，达到去除的目的。同时，零价铝的表面积大，具有很强的吸附能力，可以吸附抗生素分子。然而，单独使用零价铝时，去除率可能受到铝的用量、反应时间、pH值等因素的影响。单独利用超声空化效应的情况下，其去除抗生素的主要机制是超声波产生的空化作用。空化作用可以在液体中产生强烈的冲击力和剪切力，从而破坏抗生素分子的结构，使其失去活性。此外，超声波还可以促进抗生素分子从固体表面脱落，提高去除率。但是，单独使用超声空化效应时，去除率可能受到超声波的频率、功率、处理时间等因素的影响。将零价铝与超声空化效应联合使用时，可以发挥两者的协同作用。零价铝的还原性和吸附性可以与超声空化效应产生的冲击力和剪切力相结合，共同作用于抗生素分子，从而提高去除率。

（2）分析单独利用零价铝、单独利用超声空化效应以及将零价铝与超声空化效应联合三种情况下抗生素废水可生化性的提高状况

单独利用零价铝的情况下，零价铝的还原性可以打破抗生素分子中的某些化学键，从而改变其化学结构。这种改变可能使得原本难以生物降解的抗生素分子变得更容易被微生物所利用。同时，零价铝的吸附性能也能去除部分抗生素，减少其对微生物的毒害作用。然而，单独使用零价铝可能无法完全解决抗生素废水的可生化性问题，因为某些抗生素分子可能仍然保持其生物毒性。单独利用超声空化效应的情况下，超声波产生的强烈冲击力和剪切力能够破坏抗生素分子的结构，降低其生物毒性。此外，超声波还能促进抗生素分子从固体颗粒上脱落，使其更容易被微生物所接触和利用。然而，单独使用超声空化效应可能无法彻底提高抗生素废水的可生化性，因为某些抗生素分子可能仍然具有一定的生物毒性。将零价铝与超声空化效应联合使用时，两者的协同作用可以更有效地提高抗生素废水的可生化性。

4结论

超声空化效应与其他技术联合降解水中头孢菌素的研究，是一个备受关注的领域。头孢菌素作为一类常见的抗生素，广泛应用于医疗和畜牧业等领域。然而，头孢菌素在环境中的残留和排放会对生态系统和人类健康造成潜在威胁。超声空化效应是一种物理过程，利用超声波产生的空化作用，可以在液体中产生强烈的冲击力和剪切力，从而破坏头孢菌素分子的结构，促进其降解。然而，单独使用超声空化效应可能存在一定的局限性，如降解效率不高、处理时间长等。因此，将超声空化效应与其他技术联合使用，可以发挥各自的优势，提高头孢菌素的降解效果。目前，已有一些研究报道了超声空化效应与其他技术联合降解水中头孢菌素的研究。

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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。