Combinarea ultrasunetelor cu alte tehnologii de tratare a apei

Combinarea ultrasunetelor cu alte tehnologii de tratare a apei

1. Ultrasunete – Tehnologia tradițională de tratare a apei

Ultrasunetele generează forțe puternice de forfecare și efecte de cavitație, distrugând eficient poluanții din apă, cum ar fi ionii de metale grele, materia organică și nutrienți precum azotul și fosforul. Combinarea acestui lucru cu metodele tradiționale de tratare a apei, cum ar fi coagularea, sedimentarea și filtrarea, poate îmbunătăți și mai mult eficiența tratării apei. De exemplu, apele uzate petrochimice conțin cantități mari de materie organică și substanțe toxice, prezentând riscuri grave pentru mediu și sănătatea umană. Tehnologia cu ultrasunete poate îndepărta eficient aceste substanțe organice și toxice din apele uzate petrochimice prin efectele sinergice ale efectelor fizico-chimice și biologice, realizând un tratament eficient. Apele uzate de vopsire conțin cantități mari de coloranți și auxiliari, ceea ce face dificilă tratarea. Metodele tradiționale de tratare a apei pot elimina doar poluanții simpli din apele uzate. Tehnologia cu ultrasunete poate perturba structura chimică a coloranților și a auxiliarilor, favorizând agregarea și precipitarea acestora. De asemenea, ultrasunetele activează oxigenul dizolvat în apă, generând oxidanți puternici, cum ar fi radicalii hidroxil, care degradează și mai mult poluanții organici. Wu şi colab. ape uzate cu uraniu radioactiv tratate folosind un proces combinat optimizat cu ultrasunete-floculare-precipitare. Ei au descoperit un efect sinergic semnificativ între ultrasunete și dozarea floculantului, realizând o rată de îndepărtare a ionilor de uraniu de 95,4%.

2. Tehnologia cu ultrasunete-membrană

Tehnologia membranei joacă un rol vital în tratarea apei potabile, dar murdărirea membranei este o problemă cheie cu care se confruntă tratarea cu membrane. Cercetările au arătat că vibrațiile mecanice, fluxul acustic și cavitația acustică generate de ultrasunete nu numai că îmbunătățesc capacitatea de separare a membranei, ci și curăță eficient suprafața membranei, inhibând polarizarea concentrației și murdărirea membranei, îmbunătățind astfel fluxul membranei într-o anumită măsură. În plus, ca formă de energie, propagarea ultrasunetelor într-o soluție poate provoca comprimarea și expansiunea periodică a soluției, generând microvibrații în apă. În timp ce amplitudinea este mică, accelerația este mare, promovând procesul de separare a membranei. Muthukumaran şi colab. cred că există patru mecanisme de îmbunătățire în procesul de separare a membranei îmbunătățit cu ultrasunete: 1) Undele acustice pot aglomera particule ultrafine, reducând adsorbția soluției membranei și înfundarea porilor, inhibând astfel murdărirea membranei; 2) Ultrasunetele pot oferi suficientă energie de vibrație mecanică pentru a îndepărta unele particule suspendate în soluție de suprafața membranei, prevenind depunerea particulelor, atenuând eficient polarizarea concentrației și formarea unui strat de turtă de filtrare și reducând semnificativ rezistența stratului limită și rezistența turtei de filtru; 3) Microfluidica generată de ultrasunete poate sparge stratul de gel și stratul de turtă de filtrare format pe suprafața membranei, dispersându-le în lichid; 4) Turbulența macroscopică cauzată de microjeturi, unde de șoc și impulsuri acustice poate îmbunătăți difuzia în fluxul turbulent principal și, de asemenea, poate induce turbulență locală în stratul limită. Această turbulență locală transformă difuzia moleculară în stratul limită în difuzie turbionar, în cele din urmă îmbunătățind transferul de masă convectivă între material și interfață.

3. Tehnologia cu ultrasunete-ozon

În prezent, au existat cercetări ample privind tehnologia ultrasonică-ozon. Ozonul poate genera radicali liberi de oxigen activi chimic sub actiunea ultrasunetelor. Acești radicali liberi se pot combina cu ozonul pentru a genera oxigen sau reacționează cu apa pentru a genera specii puternic oxidante, cum ar fi ·OH și ·H2O2 (formulele (1) până la (4)), promovând astfel descompunerea ozonului și îmbunătățind eficiența reacției. Cercetarea lui Helfred et al. [11] a arătat că ultrasunetele pot zdrobi bulele care conțin ozon în „microbule”. Suprafața specifică a „microbulelor” este de 101 până la 104 ori mai mare decât cea a bulelor obișnuite, ceea ce mărește aria de contact dintre ozon și apă și accelerează viteza de dizolvare a ozonului în apă. Ziylani-Yavas și colab. [12] au studiat metoda ultrasonică-ozon pentru tratarea paracetamolului. Rezultatele au arătat că tehnologia combinată a îmbunătățit producția de specii oxidante și a îmbunătățit rata de mineralizare a poluanților.

4. Tehnologie ultrasunete-fotocatalitică

Tehnologia fotocatalitică se referă la o tehnologie care utilizează capacitatea redox a fotocatalizatorilor sub lumină pentru a purifica poluanții și substanțele sintetice. Tehnologia fotocatalitică este foarte populară datorită condițiilor sale de reacție blânde și a câmpurilor largi de aplicare. Combinația dintre ultrasunete și tehnologia fotocatalitică poate descompune substanțele hidrofobe și poate extinde calea de transfer a găurilor de electroni fotogenerate. Rezultatele cercetării lui Hamdaoui et al. [13] a arătat că, în aceleași condiții, combinația dintre radiațiile ultrasunete și procesul fotochimic a condus la o creștere a ratei de mineralizare a clorofenolului în comparație cu utilizarea tehnologiilor de tratare separate. Aceasta înseamnă că există un mare efect sinergic între cele trei procese de oxidare de acțiune fotochimică directă, sonochimie de înaltă frecvență și reacție cu ozon generată de radiația ultravioletă a aerului. Factorii care afectează tratarea cu ultrasunete a resurselor de apă includ în principal parametrii de utilizare ai ultrasunetelor, cum ar fi frecvența, puterea și intensitatea sunetului, precum și parametrii fizici și chimici ai apei uzate care urmează să fie tratate, cum ar fi temperatura, particulele și proprietățile poluante. În plus, procesul de tratament cu ultrasunete este, de asemenea, afectat de factori precum intensitatea puterii ultrasonice. În timpul procesului de degradare, viteza de reacție nu este constantă. În general, cu cât este mai mare intensitatea puterii ultrasonice, cu atât este mai rapidă viteza de reacție. Fiind o tehnologie prietenoasă cu mediul, ultrasunetele prezintă un mare potențial de aplicare în viitoarea industrie de tratare a apei.

 Deși această tehnologie a obținut anumite rezultate ale cercetării, problemele consumului ridicat de energie și reducerea eficienței reduse atunci când este utilizată singură trebuie rezolvate în continuare. De exemplu, cum să optimizați structura și performanța echipamentului cu ultrasunete pentru a-și îmbunătăți stabilitatea și eficiența, cum să efectuați cercetări aprofundate asupra mecanismului ultrasunetelor pentru a obține o aplicare eficientă, sigură și ecologică și cum să dezvoltați noi procese de tratare cu ultrasunete pentru a se adapta la diferite tipuri de condiții de calitate a apei uzate și a reduce consumul de energie cu ultrasunete. Depășirea blocajelor și depășirea barierelor pe baza cercetărilor existente ne va ajuta să ne adaptăm la problemele în continuă schimbare privind calitatea apei.