声光协同催化在超声波化学氧化或超声波分解反应过程中,频率在20~1000kHz的超声波能在水溶液中产生超声空化效应,微小的空化气泡在瞬间形成、崩破,释放出大量的能量,在空化解产生OH!、H!、HO2!等高活性的自由基,提高对污染物的降解效率[10]。另外,空化气泡内的极端高温还能使被俘获到的气泡内的分子发生热分解反应。C.Petrier等[11]利用超声波作用降解污染物的研究表明,挥发性和疏水性的物质主要靠高温热分解作用去除,而难挥发性和亲水性的物质主要靠自由基的氧化作用去除。因为超声波分解水产生高活性自由基的能力非常有限,单独使用超声波化学氧化很难完全降解有机污染物分子,甚至可能在反应过程中产生比原有污染物危害更大的中间产物[12]。为了克服单独使用超声波化学降解污染物的不足,有研究者提出了利用超声波空化效应释放的能量作为半导体材料的能量源,激发半导体材料产生电子空穴对,促使大量反应活性中心形成的方法,称为超声波催化[13]。JunWang等以TiO2、ZnO等半导体材料作为催化剂,利用超声波作为能量源,对甲基橙[14]、硝苯硫磷酯[15]、刚果红[16]、酸性品红[17]、酸性红B[18,19]等多种污染物的降解进行了系统研究,结果表明,光催化处理色度较高、污染物浓度较大的废水时,紫外光的利用率低,导致污染物降解效率降低,而超声波能有效克服光催化的不足,对多种污染物有很好的降解效果。JunWang等[20]还利用超声波作为能量源,研究了不同晶型结构的TiO2催化降解甲基橙的效果,与光催化效果相比,金红石型TiO2表现出了比锐钛矿型TiO2更好的催化效果。为了克服光催化降解污染物时催化剂易团聚、降解产物难脱附、光能利用率低等不足,将超声波催化与光催化相结合的声光协同催化越来越成为研究重点。N.L.Stock等[21]利用640kHz高频超声波和紫外光辐射,以TiO2为催化剂来降解萘酚蓝黑染料,结果表明,一级反应速率常数K(US+UV+TiO2)比K(US)提高76.3%,比K(UV+TiO2)提高约2.3倍,12h后UV+TiO2、US、US+UV+TiO2对污染物的矿化程度分别为35%、68%、80%。Y.C.Chen等[22]利用450W中压汞灯和20kHz声波发生器的联合作用降解苯酚,结果表明,US+UV对苯酚的降解速率比单独使用UV的作用提高了63%,比US提高了约12.5倍。J.Peller等[23]研究了2,4二氯苯氧基乙酸、2,4二氯苯氧基丙酸的声光协同催化降解过程,发现单独使用超声波分解难以实现完全矿化,4~5h高频超声波反应后TOC降解率不足50%;单独光催化容易产生毒性更强的中间产物2,4二氯酚;声、光同时作用时,可以使其迅速降解并完全矿化,且没有产生有毒的中间产物,TiO2的用量明显减少。DemetriosE.等[24]研究了活性黑5的声光协同催化降解过程,发现活性黑5的初始质量浓度为60mg/L,以0.25mg/LTiO2作为催化剂时,在UV(9WUVA)的照射下,60min后染料可完全降解;在US(80kHz,135W)作用下,60min后降解不到10%;当UV+US同时作用时,降解速率明显快于单独作用时的速率。超声波和光催化共同作用降解污染物能产生比超声波催化和光催化单独作用时更好的效果,表现出协同效应,其特点和优势主要归纳为[25-30]:(1)超声波空化效应和光能激发同时作为能量源激发半导体材料产生的电子和空穴,使溶液中自由基的量得到增加。(2)超声波产生的冲击能加强溶液中反应物、生成物、自由基与催化剂之间的液固传质速率;同时,空化气泡崩破对催化剂表面的冲刷作用有利于催化剂表面降解产物的脱附,使其保持更多的活性位参与反应。(3)超声波作用能使催化剂表面产生点蚀现象,同时,超声波还有利于纳米催化分散,增大催化剂的比表面积。(4)超声空化气泡的形成和崩破都在瞬间完成,会产生局部点位上的高温、高压环境,提高了化学反应的速率。