系統影響因子

US/Fenton 系統中˙OH 產量為影響有機物去除效率之重要關鍵，其自由基產 量與芬頓試劑比例、微泡生成及崩解速率息息相關。在 US/Fenton 程序中影響反 應速率因子分為四類: (1)影響微泡生成及崩解速率如超音波輸出功率、頻率、溫 度及溶解氣體；(2)影響芬頓反應為過氧化氫與亞鐵離子濃度之比例；(3)水中無機 離子及 (4)反應槽配置，以下詳細說明。

1. 功率

高強度的超音波使微泡快速成長，不能有效吸收能量而快速爆裂；低強度的 超音波產生微泡後其膨脹表面積比壓縮表面積較大，使得微泡能有效吸收能量而 逐漸膨脹而崩解。Sibakumar and Pandit (2001)發現超音波降解染料 Rodmine B 之 輸出強度(W/cm²)，其最佳值為 15 W/cm²。隨著超音波強度增加，染料降解比例 增加，超過此臨界值則染料降解效率開始變差。原因是強度太高，發聲器的單位 面積產生的微泡多，而合併成較大的微泡，使得崩解壓力變小；另外微泡易在超 音波發聲器表面形成微泡層，導致音波衰減。由以上可知超音波聲解程序之強度 有其最佳值且隨著設備而不同。同時超音波輸出之功率可能在反應中以熱能散失，

利用量熱法可推估超音波實際輸入反應槽之能量，如式 2.17(Koda et al., 2003)。

P_US＝MC^∆T_∆t(2.17)

P_US :推估超音波實際輸入能量(W) M : 溶液的質量(g)

C : 溶液在常溫下的比熱(J)

∆T

∆t: 溫度變化速率(℃/s)

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Beckett and Hua (2000)使用不同頻率超音波降解 1,4-dioxane。研究中發現污 染 物 去 除 率 依 頻 率 排 序 為 358 ＞ 618 ＞ 205 ＞ 1071 kHz ， 同 時 與 中 間 產 物 methoxyacetic acid 生成濃度多寡有一致性。原因是高頻率超音波質傳效率高，提 升自由基產生量，系統效率提升；然而頻率過高，能量用於微泡崩解相對較小， 及OOH 較快。Laxmiet et al. (2010)計算不同溫度之超音波系統反應速率為 45℃

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＞35℃＞25℃。而若溫度過高，過多蒸氣會降低微泡內部溫度，緩衝崩解的強度

(Suslick, 1989)。Thompson and Doraiswamy (1999) 認為超音波在沒有溫度控制的情況

下，反應溶液溫度會持續上升，使水溶液的表面張力降低，利於微泡形成，但崩 解強度隨著溫度增加而減少。Wang (2006)研究結果指出反應溫度控制在 20-35℃

有較佳的污染物去除率，當溫度大於 65℃，污染物去除效率會因微泡崩解強度變 最適劑量為[H₂O₂]＝8 mM 及[Fe²⁺]＝0.05 mM；Muruganandham and Swaminathan (2006)於研究中同樣利用超音波結合芬頓程序降解 Reactive Yellow 14 染料，其濃 度為 5 mM，其最適添加劑量為[H₂O₂]＝20 mM 及[Fe²⁺]＝0.1 mM。由此可知，針

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對不同 目標 廢水 ， 有其不 同適 當加藥 量，因 此尋 找適當 的芬頓 試劑 比例為 US/Fenton 程序中重要參數之一，且由其所添加濃度比例得知過氧化氫／亞鐵離 子濃度比例約為 160－200。

6.反應槽高度

反應槽配置參數是超音波程序中在設計大規模反應槽的重要依據，如液面高 度及可處理的體積範圍。其效率受反應槽中溶液之高度及徑向共振形成之駐波影 響而消減聲波能量，其駐波產生與反應槽及發聲器之形狀有關。在超音波反應器 中許多研究會加入 luminol 在鹼性條件下和OH 反應產生藍色螢光而瞭解氫氧自 由基產生位置以及系統效能。不同頻率或功率的超音波也使螢光分佈範圍不同，

然而此項測定方法不適用在超音波／芬頓系統中，原因是芬頓反應在鹼性條件下 效率差，而且溶液會轉為三價鐵的紅棕色影響螢光放射。Asakuraet et al. (2008) 在 相同頻率 490 kHz 的超音波下改變液面高度 5－50 公分，其液面高度與聲致發光 效應關係圖如圖 2.7。由發光的位置可知化學反應接近溶液的表面，計算聲化學 反應效率(Sonochemical Efficiency)是以反應槽高度 40 公分有最佳效率。

圖 2.7 不同液面高度之反應槽在超音波程序下的氫氧自由基分布

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7. 水中無機離子

工業廢水及天然水體中存在多種無機離子如 HCO₃^-、CO₃^2-、HPO₄^3-及 SO₄ 2-等，會和污染物競爭氫氧自由基，影響系統的效率。Sun et al. (2007)利用 US/Fenton 程序降解染料中，結果顯示無機陰離子會消耗過氧化氫或氫氧自由基，如式 2.18 及 2.19 至 2.25，而使染料降解效率變差，其結果影響排序如下 SO₃^2-＞CH₃COO

-＞Cl^-＞CO₃^2-＞HCO₃^-＞SO₄^2-＞NO₃^-，以 SO₃^2-抑制作用最甚，原因為 SO₃^2-同時會 與消耗 H₂O₂及˙OH，使系統內氧化力降低。

Merouani et al. (2010)指出碳酸鹽及碳酸氫鹽會消耗氫氧自由基，同時也生成 CO₃˙^-，如上式 2.23 至 2.24。然而，因 CO₃˙^-再結合的速率為˙OH 的 1/275 倍，

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