Kombinace ultrazvuku s dalšími technologiemi úpravy vody

Kombinace ultrazvuku s dalšími technologiemi úpravy vody

1. Ultrazvuk – tradiční technologie úpravy vody

Ultrazvuk vytváří silné smykové síly a kavitační efekty a účinně ničí znečišťující látky ve vodě, jako jsou ionty těžkých kovů, organické látky a živiny, jako je dusík a fosfor. Kombinace toho s tradičními metodami úpravy vody, jako je koagulace, sedimentace a filtrace, může dále zvýšit účinnost úpravy vody. Například petrochemické odpadní vody obsahují velké množství organických látek a toxických látek, které představují vážná rizika pro životní prostředí a lidské zdraví. Ultrazvuková technologie dokáže efektivně odstranit tyto organické a toxické látky z petrochemických odpadních vod prostřednictvím synergických účinků fyzikálně-chemických a biologických účinků, čímž se dosáhne účinného čištění. Odpadní voda z barvení obsahuje velké množství barviv a pomocných látek, což ztěžuje její čištění. Tradiční metody úpravy vody mohou odstranit pouze jednoduché znečišťující látky v odpadní vodě. Ultrazvuková technologie může narušit chemickou strukturu barviv a pomocných látek, podporovat jejich agregaci a precipitaci. Ultrazvuk také aktivuje rozpuštěný kyslík ve vodě a vytváří silné oxidanty, jako jsou hydroxylové radikály, které dále degradují organické znečišťující látky. Wu a kol. upravená odpadní voda z radioaktivního uranu pomocí optimalizovaného kombinovaného procesu ultrazvuk-flokulace-srážení. Zjistili významný synergický efekt mezi dávkováním ultrazvuku a flokulantu, přičemž dosáhli míry odstranění uranových iontů 95,4 %.

2. Ultrazvuková membránová technologie

Membránová technologie hraje zásadní roli při úpravě pitné vody, ale zanášení membrán je klíčovým problémem, kterému čelí úprava membrány. Výzkum ukázal, že mechanické vibrace, akustické proudění a akustická kavitace generované ultrazvukem nejen zvyšují separační kapacitu membrány, ale také účinně čistí povrch membrány, inhibují koncentrační polarizaci a zanášení membrány, čímž se do určité míry zlepšuje membránový tok. Kromě toho, jako forma energie, šíření ultrazvuku v roztoku může způsobit periodické stlačování a rozpínání roztoku, generující mikrovibrace ve vodě. Zatímco amplituda je malá, zrychlení je vysoké, což podporuje proces membránové separace. Muthukumaran a kol. věří, že existují čtyři mechanismy zlepšení v procesu separace membrán pomocí ultrazvuku: 1) Akustické vlny mohou aglomerovat ultrajemné částice, čímž se snižuje adsorpce membránových roztoků a ucpávání pórů, čímž se inhibuje zanášení membrány; 2) Ultrazvuk může poskytnout dostatečnou mechanickou vibrační energii k přesunu některých částic suspendovaných v roztoku od povrchu membrány, čímž se zabrání usazování částic, účinně zmírní koncentrační polarizace a tvorba vrstvy filtračního koláče a výrazně se sníží odpor mezní vrstvy a odpor filtračního koláče; 3) Mikrofluidiky generované ultrazvukem mohou rozbít vrstvu gelu a vrstvu filtračního koláče vytvořenou na povrchu membrány a rozptýlit je v kapalině; 4) Makroskopická turbulence způsobená mikrotrysky, rázovými vlnami a akustickými pulzy může zvýšit difúzi v rámci hlavního turbulentního proudění a také vyvolat lokální turbulenci v mezní vrstvě. Tato lokální turbulence přeměňuje molekulární difúzi v mezní vrstvě na vířivou difúzi, což v konečném důsledku zvyšuje konvekční přenos hmoty mezi materiálem a rozhraním.

3. Ultrasonic-Ozone Technology

V současné době probíhá rozsáhlý výzkum ultrazvukové ozonové technologie. Ozón může působením ultrazvuku vytvářet chemicky aktivní volné kyslíkové radikály. Tyto volné radikály se mohou kombinovat s ozonem za vzniku kyslíku nebo reagovat s vodou za vzniku silných oxidačních látek, jako jsou ·OH a ·H2O2 (vzorce (1) až (4)), čímž podporují rozklad ozonu a zlepšují účinnost reakce. Výzkum Helfreda a kol. [11] ukázal, že ultrazvuk dokáže rozdrtit bubliny obsahující ozón na 'mikrobubliny'. Specifický povrch 'mikrobublin' je 101 až 104krát větší než u běžných bublin, což zvyšuje kontaktní plochu mezi ozonem a vodou a urychluje rychlost rozpouštění ozonu ve vodě. Ziylani-Yavas a kol. [12] studovali ultrazvukově-ozonovou metodu léčby paracetamolu. Výsledky ukázaly, že kombinovaná technologie zvýšila produkci oxidačních látek a zlepšila rychlost mineralizace znečišťujících látek.

4. Ultrazvukově fotokatalytická technologie

Fotokatalytická technologie označuje technologii, která využívá redoxní schopnosti fotokatalyzátorů pod světlem k čištění znečišťujících látek a syntetických látek. Fotokatalytická technologie je velmi oblíbená díky svým mírným reakčním podmínkám a širokým aplikačním oblastem. Kombinace ultrazvuku a fotokatalytické technologie dokáže rozložit hydrofobní látky a rozšířit cestu přenosu fotogenerovaných elektronových děr. Výsledky výzkumu Hamdaoui et al. [13] ukázali, že za stejných podmínek vedla kombinace ultrazvukového záření a fotochemického procesu ke zvýšení rychlosti mineralizace chlorfenolu ve srovnání s použitím samostatných technologií úpravy. To znamená, že existuje velký synergický efekt mezi třemi oxidačními procesy přímého fotochemického působení, vysokofrekvenční sonochemie a ozónové reakce generované ultrafialovým zářením vzduchu. Mezi faktory ovlivňující ultrazvukové čištění vodních zdrojů patří především parametry využití ultrazvuku, jako je frekvence, výkon a intenzita zvuku, dále fyzikální a chemické parametry čištěné odpadní vody, jako je teplota, částice a vlastnosti znečišťujících látek. Kromě toho je proces úpravy ultrazvukem také ovlivněn faktory, jako je intenzita ultrazvukového výkonu. Během procesu degradace není reakční rychlost konstantní. Obecně řečeno, čím větší je intenzita ultrazvukového výkonu, tím rychlejší je reakční rychlost. Jako technologie šetrná k životnímu prostředí má ultrazvuk velký aplikační potenciál v budoucím průmyslu úpravy vody.

 Přestože tato technologie dosáhla určitých výsledků výzkumu, je třeba dále řešit problémy vysoké spotřeby energie a nízkého snížení účinnosti při samostatném použití. Například, jak optimalizovat strukturu a výkon ultrazvukového zařízení, aby se zlepšila jeho stabilita a účinnost, jak provádět hloubkový výzkum mechanismu ultrazvuku, aby bylo dosaženo jeho efektivní, bezpečné a ekologické aplikace, a jak vyvinout nové procesy ultrazvukového čištění, které se přizpůsobí různým typům kvality odpadních vod a vody a sníží spotřebu ultrazvukové energie. Prolomení úzkých míst a překonání překážek na základě stávajícího výzkumu nám pomůže přizpůsobit se neustále se měnícím problémům s kvalitou vody.