Combinazione degli ultrasuoni con altre tecnologie di trattamento dell'acqua

Combinazione degli ultrasuoni con altre tecnologie di trattamento dell'acqua

1. Ultrasuoni: tecnologia tradizionale per il trattamento delle acque

Gli ultrasuoni generano potenti forze di taglio ed effetti di cavitazione, distruggendo efficacemente gli inquinanti presenti nell'acqua, come ioni di metalli pesanti, materia organica e sostanze nutritive come azoto e fosforo. Combinando tutto ciò con i tradizionali metodi di trattamento dell’acqua, come la coagulazione, la sedimentazione e la filtrazione, si può migliorare ulteriormente l’efficienza del trattamento dell’acqua. Ad esempio, le acque reflue petrolchimiche contengono grandi quantità di materia organica e sostanze tossiche, ponendo gravi rischi per l’ambiente e la salute umana. La tecnologia a ultrasuoni può rimuovere efficacemente queste sostanze organiche e tossiche dalle acque reflue petrolchimiche attraverso gli effetti sinergici degli effetti fisico-chimici e biologici, ottenendo un trattamento efficace. Le acque reflue della tintura contengono grandi quantità di coloranti e ausiliari, che ne rendono difficile il trattamento. I metodi tradizionali di trattamento dell’acqua possono rimuovere solo gli inquinanti semplici presenti nelle acque reflue. La tecnologia ad ultrasuoni può alterare la struttura chimica dei coloranti e degli ausiliari, favorendone l'aggregazione e la precipitazione. Gli ultrasuoni attivano anche l'ossigeno disciolto nell'acqua, generando forti ossidanti come i radicali idrossilici, che degradano ulteriormente gli inquinanti organici. Wu et al. trattate le acque reflue di uranio radioattivo utilizzando un processo combinato ottimizzato di flocculazione-precipitazione a ultrasuoni. Hanno riscontrato un significativo effetto sinergico tra il dosaggio degli ultrasuoni e del flocculante, ottenendo un tasso di rimozione degli ioni di uranio del 95,4%.

2. Tecnologia delle membrane ad ultrasuoni

La tecnologia delle membrane svolge un ruolo fondamentale nel trattamento dell'acqua potabile, ma l'incrostazione delle membrane è un problema chiave per il trattamento delle membrane. La ricerca ha dimostrato che le vibrazioni meccaniche, lo streaming acustico e la cavitazione acustica generati dagli ultrasuoni non solo migliorano la capacità di separazione della membrana, ma puliscono anche efficacemente la superficie della membrana, inibendo la polarizzazione della concentrazione e l'incrostazione della membrana, migliorando così in una certa misura il flusso della membrana. Inoltre, come forma di energia, la propagazione degli ultrasuoni in una soluzione può provocare periodiche compressioni ed espansioni della soluzione, generando microvibrazioni nell'acqua. Sebbene l'ampiezza sia piccola, l'accelerazione è elevata, favorendo il processo di separazione della membrana. Muthukumaran et al. ritengono che esistano quattro meccanismi di miglioramento nel processo di separazione della membrana potenziato dagli ultrasuoni: 1) le onde acustiche possono agglomerare particelle ultrafini, riducendo l'adsorbimento dei soluti della membrana e l'ostruzione dei pori, inibendo così l'incrostazione della membrana; 2) Gli ultrasuoni possono fornire energia di vibrazione meccanica sufficiente per spostare alcune particelle sospese nella soluzione lontano dalla superficie della membrana, prevenendo la deposizione di particelle, mitigando efficacemente la polarizzazione della concentrazione e la formazione di uno strato di pannello filtrante e riducendo significativamente la resistenza dello strato limite e della torta filtrante; 3) La microfluidica generata dagli ultrasuoni può rompere lo strato di gel e lo strato di torta filtrante formati sulla superficie della membrana, disperdendoli nel liquido; 4) La turbolenza macroscopica causata da microgetti, onde d'urto e impulsi acustici può aumentare la diffusione all'interno del flusso turbolento principale e anche indurre turbolenza locale nello strato limite. Questa turbolenza locale trasforma la diffusione molecolare nello strato limite in diffusione vorticosa, migliorando infine il trasferimento di massa convettivo tra il materiale e l'interfaccia.

3. Tecnologia ad ultrasuoni-ozono

Attualmente sono state condotte ricerche approfondite sulla tecnologia dell’ozono a ultrasuoni. L'ozono può generare radicali liberi dell'ossigeno chimicamente attivi sotto l'azione degli ultrasuoni. Questi radicali liberi possono combinarsi con l'ozono per generare ossigeno o reagire con l'acqua per generare specie fortemente ossidanti come ·OH e ·H2O2 (formule da (1) a (4)), promuovendo così la decomposizione dell'ozono e migliorando l'efficienza della reazione. La ricerca di Helfred et al. [11] hanno dimostrato che gli ultrasuoni possono frantumare le bolle contenenti ozono trasformandole in 'microbolle'. La superficie specifica delle 'microbolle' è da 101 a 104 volte più grande di quella delle bolle normali, il che aumenta l'area di contatto tra ozono e acqua e accelera il tasso di dissoluzione dell'ozono nell'acqua. Ziylani-Yavas et al. [12] hanno studiato il metodo con ozono ultrasonico per il trattamento del paracetamolo. I risultati hanno mostrato che la tecnologia combinata ha potenziato la produzione di specie ossidanti e migliorato il tasso di mineralizzazione degli inquinanti.

4. Tecnologia fotocatalitica ad ultrasuoni

La tecnologia fotocatalitica si riferisce a una tecnologia che sfrutta la capacità redox dei fotocatalizzatori sotto la luce per purificare gli inquinanti e le sostanze sintetiche. La tecnologia fotocatalitica è molto popolare grazie alle sue condizioni di reazione blande e agli ampi campi di applicazione. La combinazione della tecnologia ad ultrasuoni e fotocatalitica può decomporre le sostanze idrofobiche ed espandere il percorso di trasferimento delle lacune elettroniche fotogenerate. I risultati della ricerca di Hamdaoui et al. [13] hanno dimostrato che, nelle stesse condizioni, la combinazione di radiazione ultrasonica e processo fotochimico ha portato ad un aumento del tasso di mineralizzazione del clorofenolo rispetto all'uso di tecnologie di trattamento separate. Ciò significa che esiste un grande effetto sinergico tra i tre processi di ossidazione dell'azione fotochimica diretta, della sonochimica ad alta frequenza e della reazione dell'ozono generata dalle radiazioni ultraviolette dell'aria. I fattori che influenzano il trattamento ad ultrasuoni delle risorse idriche comprendono principalmente i parametri di utilizzo degli ultrasuoni, come frequenza, potenza e intensità sonora, nonché i parametri fisici e chimici delle acque reflue da trattare, come temperatura, particelle e proprietà inquinanti. Inoltre, il processo di trattamento ad ultrasuoni è influenzato anche da fattori quali l'intensità della potenza ultrasonica. Durante il processo di degradazione, la velocità di reazione non è costante. In generale, maggiore è l'intensità della potenza ultrasonica, maggiore è la velocità di reazione. Essendo una tecnologia rispettosa dell’ambiente, gli ultrasuoni mostrano un grande potenziale di applicazione nel futuro settore del trattamento delle acque.

 Sebbene questa tecnologia abbia ottenuto alcuni risultati nella ricerca, i problemi dell’elevato consumo energetico e della bassa riduzione dell’efficienza se utilizzata da sola devono essere ulteriormente risolti. Ad esempio, come ottimizzare la struttura e le prestazioni delle apparecchiature a ultrasuoni per migliorarne la stabilità e l'efficienza, come condurre ricerche approfondite sul meccanismo degli ultrasuoni per ottenere la sua applicazione efficiente, sicura e rispettosa dell'ambiente e come sviluppare nuovi processi di trattamento a ultrasuoni per adattarsi a diversi tipi di condizioni di qualità delle acque reflue e dell'acqua e ridurre il consumo di energia ultrasonica. Superare gli ostacoli e le barriere sulla base della ricerca esistente ci aiuterà ad adattarci ai problemi in continua evoluzione della qualità dell’acqua.