Kombination von Ultraschall mit anderen Wasseraufbereitungstechnologien

Kombination von Ultraschall mit anderen Wasseraufbereitungstechnologien

1. Ultraschall – Traditionelle Wasseraufbereitungstechnologie

Ultraschall erzeugt starke Scherkräfte und Kavitationseffekte und zerstört effektiv Schadstoffe im Wasser, wie Schwermetallionen, organische Stoffe und Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor. Die Kombination mit herkömmlichen Wasseraufbereitungsmethoden wie Koagulation, Sedimentation und Filtration kann die Effizienz der Wasseraufbereitung weiter steigern. Beispielsweise enthalten petrochemische Abwässer große Mengen organischer Stoffe und giftiger Substanzen, was eine ernsthafte Gefahr für die Umwelt und die menschliche Gesundheit darstellt. Die Ultraschalltechnologie kann diese organischen und toxischen Substanzen durch die synergetischen Effekte physikalisch-chemischer und biologischer Effekte effektiv aus petrochemischen Abwässern entfernen und so eine wirksame Behandlung erreichen. Färbereiabwässer enthalten große Mengen an Farbstoffen und Hilfsstoffen, was die Behandlung erschwert. Herkömmliche Wasseraufbereitungsmethoden können nur einfache Schadstoffe aus dem Abwasser entfernen. Ultraschalltechnologie kann die chemische Struktur von Farbstoffen und Hilfsstoffen stören und so deren Aggregation und Ausfällung fördern. Ultraschall aktiviert außerdem den im Wasser gelösten Sauerstoff und erzeugt so starke Oxidationsmittel wie Hydroxylradikale, die organische Schadstoffe weiter abbauen. Wu et al. behandelt radioaktives Uranabwasser mit einem optimierten kombinierten Ultraschall-Flockungs-Fällungsverfahren. Sie fanden einen signifikanten synergistischen Effekt zwischen Ultraschall und Flockungsmitteldosierung und erreichten eine Entfernungsrate von Uranionen von 95,4 %.

2. Ultraschall-Membran-Technologie

Die Membrantechnologie spielt bei der Trinkwasseraufbereitung eine entscheidende Rolle, Membranverschmutzung ist jedoch ein zentrales Problem bei der Membranaufbereitung. Untersuchungen haben gezeigt, dass die durch Ultraschall erzeugten mechanischen Vibrationen, akustischen Strömungen und akustischen Kavitation nicht nur die Trennkapazität der Membran verbessern, sondern auch die Membranoberfläche effektiv reinigen, Konzentrationspolarisierung und Membranverschmutzung verhindern und dadurch den Membranfluss bis zu einem gewissen Grad verbessern. Darüber hinaus kann die Ausbreitung von Ultraschall in einer Lösung als Energieform zu einer periodischen Kompression und Expansion der Lösung führen und so Mikrovibrationen im Wasser erzeugen. Während die Amplitude klein ist, ist die Beschleunigung hoch, was den Membrantrennprozess fördert. Muthukumaran et al. glauben, dass es vier Mechanismen zur Verbesserung des ultraschallunterstützten Membrantrennprozesses gibt: 1) Akustische Wellen können ultrafeine Partikel agglomerieren, wodurch die Adsorption gelöster Membrane und die Porenverstopfung verringert werden, wodurch Membranverschmutzung verhindert wird; 2) Ultraschall kann ausreichend mechanische Vibrationsenergie bereitstellen, um einige in der Lösung suspendierte Partikel von der Membranoberfläche wegzubewegen, wodurch Partikelablagerungen verhindert, Konzentrationspolarisierung und die Bildung einer Filterkuchenschicht wirksam gemildert und der Grenzschichtwiderstand und der Filterkuchenwiderstand erheblich verringert werden. 3) Die durch Ultraschall erzeugte Mikrofluidik kann die auf der Membranoberfläche gebildete Gelschicht und Filterkuchenschicht aufbrechen und sie in der Flüssigkeit verteilen; 4) Makroskopische Turbulenzen, die durch Mikrojets, Stoßwellen und akustische Impulse verursacht werden, können die Diffusion innerhalb der turbulenten Hauptströmung verstärken und auch lokale Turbulenzen in der Grenzschicht induzieren. Diese lokalen Turbulenzen wandeln die molekulare Diffusion in der Grenzschicht in Wirbeldiffusion um und verbessern letztendlich den konvektiven Stofftransfer zwischen dem Material und der Grenzfläche.

3. Ultraschall-Ozon-Technologie

Derzeit gibt es umfangreiche Forschungen zur Ultraschall-Ozon-Technologie. Ozon kann unter Einwirkung von Ultraschall chemisch aktive freie Sauerstoffradikale erzeugen. Diese freien Radikale können sich mit Ozon verbinden, um Sauerstoff zu erzeugen, oder mit Wasser reagieren, um stark oxidierende Spezies wie ·OH und ·H2O2 (Formeln (1) bis (4)) zu erzeugen, wodurch die Ozonzersetzung gefördert und die Reaktionseffizienz verbessert wird. Forschung von Helfred et al. [11] zeigten, dass Ultraschall ozonhaltige Blasen in „Mikrobläschen“ zerkleinern kann. Die spezifische Oberfläche von „Mikrobläschen“ ist 101 bis 104 Mal größer als die von gewöhnlichen Blasen, was die Kontaktfläche zwischen Ozon und Wasser vergrößert und die Auflösungsrate von Ozon im Wasser beschleunigt. Ziylani-Yavas et al. [12] untersuchten die Ultraschall-Ozon-Methode zur Behandlung von Paracetamol. Die Ergebnisse zeigten, dass die kombinierte Technologie die Produktion oxidierender Spezies steigerte und die Mineralisierungsrate von Schadstoffen verbesserte.

4. Ultraschall-photokatalytische Technologie

Unter photokatalytischer Technologie versteht man eine Technologie, die die Redoxfähigkeit von Photokatalysatoren unter Licht nutzt, um Schadstoffe und synthetische Substanzen zu reinigen. Die photokatalytische Technologie erfreut sich aufgrund ihrer milden Reaktionsbedingungen und breiten Anwendungsgebiete großer Beliebtheit. Durch die Kombination von Ultraschall und photokatalytischer Technologie können hydrophobe Substanzen zersetzt und der Übertragungsweg photogenerierter Elektronenlöcher erweitert werden. Die Forschungsergebnisse von Hamdaoui et al. [13] zeigten, dass die Kombination von Ultraschallstrahlung und photochemischem Prozess unter gleichen Bedingungen zu einer Erhöhung der Mineralisierungsrate von Chlorphenol im Vergleich zur Verwendung separater Behandlungstechnologien führte. Dies bedeutet, dass zwischen den drei Oxidationsprozessen der direkten photochemischen Wirkung, der Hochfrequenz-Sonochemie und der durch ultraviolette Strahlung in der Luft erzeugten Ozonreaktion ein großer synergistischer Effekt besteht. Zu den Faktoren, die die Ultraschallaufbereitung von Wasserressourcen beeinflussen, zählen vor allem die Einsatzparameter des Ultraschalls wie Frequenz, Leistung und Schallintensität sowie die physikalischen und chemischen Parameter des zu behandelnden Abwassers wie Temperatur, Partikel und Schadstoffeigenschaften. Darüber hinaus wird der Ultraschallbehandlungsprozess auch von Faktoren wie der Intensität der Ultraschallleistung beeinflusst. Während des Abbauprozesses ist die Reaktionsgeschwindigkeit nicht konstant. Generell gilt: Je größer die Ultraschallleistungsintensität, desto schneller die Reaktionsgeschwindigkeit. Als umweltfreundliche Technologie weist Ultraschall ein großes Anwendungspotenzial in der zukünftigen Wasseraufbereitungsindustrie auf.

 Obwohl diese Technologie bestimmte Forschungsergebnisse erzielt hat, müssen die Probleme des hohen Energieverbrauchs und der geringen Effizienzreduzierung bei alleiniger Verwendung weiter gelöst werden. Zum Beispiel, wie man die Struktur und Leistung von Ultraschallgeräten optimiert, um deren Stabilität und Effizienz zu verbessern, wie man den Mechanismus des Ultraschalls eingehend erforscht, um seine effiziente, sichere und umweltfreundliche Anwendung zu erreichen, und wie man neue Ultraschallbehandlungsverfahren entwickelt, um sich an verschiedene Arten von Abwasser und Wasserqualitätsbedingungen anzupassen und den Ultraschallenergieverbrauch zu reduzieren. Das Durchbrechen von Engpässen und die Überwindung von Hindernissen auf der Grundlage vorhandener Forschungsergebnisse wird uns helfen, uns an die sich ständig ändernden Probleme der Wasserqualität anzupassen.