Kombination af ultralyd med andre vandbehandlingsteknologier

Kombination af ultralyd med andre vandbehandlingsteknologier

1. Ultralyd – Traditionel vandbehandlingsteknologi

Ultralyd genererer kraftige forskydningskræfter og kavitationseffekter, der effektivt ødelægger forurenende stoffer i vand, såsom tungmetalioner, organisk materiale og næringsstoffer som nitrogen og fosfor. Ved at kombinere dette med traditionelle vandbehandlingsmetoder, såsom koagulering, sedimentering og filtrering, kan vandbehandlingseffektiviteten yderligere forbedres. For eksempel indeholder petrokemisk spildevand store mængder organisk stof og giftige stoffer, hvilket udgør en alvorlig risiko for miljøet og menneskers sundhed. Ultralydsteknologi kan effektivt fjerne disse organiske og giftige stoffer fra petrokemisk spildevand gennem de synergistiske virkninger af fysisk-kemiske og biologiske effekter og opnå effektiv behandling. Farvning af spildevand indeholder store mængder farvestoffer og hjælpestoffer, hvilket gør det vanskeligt at behandle. Traditionelle vandbehandlingsmetoder kan kun fjerne simple forurenende stoffer i spildevandet. Ultralydsteknologi kan forstyrre den kemiske struktur af farvestoffer og hjælpestoffer, hvilket fremmer deres aggregering og udfældning. Ultralyd aktiverer også opløst ilt i vandet, hvilket genererer stærke oxidanter såsom hydroxylradikaler, som yderligere nedbryder organiske forurenende stoffer. Wu et al. behandlet radioaktivt uranspildevand ved hjælp af en optimeret ultralyd-flokkulering-udfældningsproces. De fandt en signifikant synergistisk effekt mellem ultralyds- og flokkuleringsdosering, hvilket opnåede en uranion-fjernelseshastighed på 95,4 %.

2. Ultralyd-membranteknologi

Membranteknologi spiller en afgørende rolle i drikkevandsbehandlingen, men membrantilsmudsning er et nøgleproblem for membranbehandling. Forskning har vist, at de mekaniske vibrationer, akustisk strømning og akustisk kavitation genereret af ultralyd ikke kun forbedrer membranseparationskapaciteten, men også effektivt renser membranoverfladen, hæmmer koncentrationspolarisering og membranforurening og forbedrer derved membranfluxen til en vis grad. Som en form for energi kan ultralydsudbredelse i en opløsning desuden forårsage periodisk kompression og udvidelse af opløsningen, hvilket genererer mikrovibrationer i vandet. Mens amplituden er lille, er accelerationen høj, hvilket fremmer membranseparationsprocessen. Muthukumaran et al. mener, at der er fire mekanismer til forbedring i den ultralydsforstærkede membranseparationsproces: 1) Akustiske bølger kan agglomerere ultrafine partikler, reducere membranopløst stofadsorption og poretilstopning og derved hæmme membranbegroning; 2) Ultralyd kan give tilstrækkelig mekanisk vibrationsenergi til at flytte nogle partikler suspenderet i opløsningen væk fra membranoverfladen, forhindre partikelaflejring, effektivt afbøde koncentrationspolarisering og dannelsen af ​​et filterkagelag og væsentligt reducere grænselagsmodstand og filterkagemodstand; 3) Mikrofluidikken, der genereres af ultralyd, kan bryde op på gellaget og filterkagelaget, der er dannet på membranoverfladen, og sprede dem i væsken; 4) Makroskopisk turbulens forårsaget af mikrojets, chokbølger og akustiske pulser kan øge diffusionen inden for det primære turbulente flow og også inducere lokal turbulens i grænselaget. Denne lokale turbulens transformerer molekylær diffusion i grænselaget til hvirveldiffusion, hvilket i sidste ende forbedrer konvektiv masseoverførsel mellem materialet og grænsefladen.

3. Ultralyd-ozonteknologi

I øjeblikket har der været omfattende forskning i ultralyd-ozonteknologi. Ozon kan generere kemisk aktive iltfrie radikaler under påvirkning af ultralyd. Disse frie radikaler kan kombineres med ozon for at generere oxygen eller reagere med vand for at generere stærke oxiderende stoffer såsom ·OH og ·H2O2 (formler (1) til (4)), og derved fremme ozonnedbrydning og forbedre reaktionseffektiviteten. Forskning af Helfred et al. [11] viste, at ultralyd kan knuse ozonholdige bobler til 'mikrobobler'. Det specifikke overfladeareal af 'mikrobobler' er 101 til 104 gange større end almindelige boblers, hvilket øger kontaktarealet mellem ozon og vand og accelererer opløsningshastigheden af ​​ozon i vand. Ziylani-Yavas et al. [12] undersøgte ultralyd-ozonmetoden til behandling af paracetamol. Resultaterne viste, at den kombinerede teknologi forbedrede produktionen af ​​oxiderende arter og forbedrede mineraliseringshastigheden af ​​forurenende stoffer.

4. Ultralyd-fotokatalytisk teknologi

Fotokatalytisk teknologi refererer til en teknologi, der bruger fotokatalysatorers redoxevne under lys til at rense forurenende stoffer og syntetiske stoffer. Fotokatalytisk teknologi er meget populær på grund af dens milde reaktionsbetingelser og brede anvendelsesområder. Kombinationen af ​​ultralyd og fotokatalytisk teknologi kan nedbryde hydrofobe stoffer og udvide overførselsvejen for fotogenererede elektronhuller. Forskningsresultaterne af Hamdaoui et al. [13] viste, at under de samme forhold førte kombinationen af ​​ultralydsstråling og fotokemisk proces til en stigning i mineraliseringshastigheden af ​​chlorphenol sammenlignet med brugen af ​​separate behandlingsteknologier. Det betyder, at der er en stor synergistisk effekt mellem de tre oxidationsprocesser med direkte fotokemisk virkning, højfrekvent sonokemi og ozonreaktion genereret af ultraviolet strålingsluft. Faktorer, der påvirker ultralydsbehandling af vandressourcer, omfatter hovedsageligt brugsparametrene for ultralyd, såsom frekvens, effekt og lydintensitet, samt de fysiske og kemiske parametre for det spildevand, der skal behandles, såsom temperatur, partikler og forurenende egenskaber. Derudover påvirkes ultralydsbehandlingsprocessen også af faktorer som ultralydseffektintensitet. Under nedbrydningsprocessen er reaktionshastigheden ikke konstant. Generelt gælder det, at jo større ultralydseffektintensiteten er, jo hurtigere er reaktionshastigheden. Som en miljøvenlig teknologi viser ultralyd et stort anvendelsespotentiale i fremtidens vandbehandlingsindustri.

 Selvom denne teknologi har opnået visse forskningsresultater, skal problemerne med højt energiforbrug og lav effektivitetsreduktion, når den bruges alene, løses yderligere. For eksempel, hvordan man optimerer strukturen og ydeevnen af ​​ultralydsudstyr for at forbedre dets stabilitet og effektivitet, hvordan man udfører dybdegående forskning i mekanismen for ultralyd for at opnå dets effektive, sikre og miljøvenlige anvendelse, og hvordan man udvikler nye ultralydsbehandlingsprocesser for at tilpasse sig forskellige typer af spildevands- og vandkvalitetsforhold og reducere ultralydsenergiforbruget. At bryde igennem flaskehalse og overvinde barrierer baseret på eksisterende forskning vil hjælpe os med at tilpasse os de stadigt skiftende vandkvalitetsproblemer.