Сочетание ультразвука с другими технологиями очистки воды

Сочетание ультразвука с другими технологиями очистки воды

1. Ультразвук – традиционная технология очистки воды.

Ультразвук создает мощные силы сдвига и эффекты кавитации, эффективно уничтожая загрязняющие вещества в воде, такие как ионы тяжелых металлов, органические вещества и питательные вещества, такие как азот и фосфор. Сочетание этого с традиционными методами очистки воды, такими как коагуляция, осаждение и фильтрация, может еще больше повысить эффективность очистки воды. Например, сточные воды нефтехимических предприятий содержат большое количество органических и токсичных веществ, что представляет серьезную угрозу для окружающей среды и здоровья человека. Ультразвуковая технология позволяет эффективно удалять эти органические и токсичные вещества из сточных вод нефтехимических предприятий за счет синергетического эффекта физико-химических и биологических эффектов, обеспечивая эффективную очистку. Красильные сточные воды содержат большое количество красителей и вспомогательных веществ, что затрудняет их очистку. Традиционные методы очистки воды позволяют удалить из сточных вод только простые загрязняющие вещества. Ультразвуковые технологии могут нарушать химическую структуру красителей и вспомогательных веществ, способствуя их агрегации и осаждению. Ультразвук также активирует растворенный в воде кислород, генерируя сильные окислители, такие как гидроксильные радикалы, которые еще больше разлагают органические загрязнители. Ву и др. очистка сточных вод радиоактивного урана с использованием оптимизированного комбинированного процесса ультразвука, флокуляции и осаждения. Они обнаружили значительный синергетический эффект между ультразвуком и дозировкой флокулянта, достигнув степени удаления ионов урана 95,4%.

2. Ультразвуковая мембранная технология.

Мембранная технология играет жизненно важную роль в очистке питьевой воды, но загрязнение мембран является ключевой проблемой, связанной с мембранной очисткой. Исследования показали, что механические вибрации, акустические потоки и акустическая кавитация, генерируемые ультразвуком, не только увеличивают способность мембраны к разделению, но и эффективно очищают поверхность мембраны, подавляя концентрационную поляризацию и загрязнение мембраны, тем самым в определенной степени улучшая мембранный поток. Кроме того, как форма энергии распространение ультразвука в растворе может вызывать периодическое сжатие и расширение раствора, создавая микровибрации в воде. Хотя амплитуда мала, ускорение велико, что способствует процессу разделения мембран. Мутукумаран и др. полагают, что существует четыре механизма улучшения процесса мембранного разделения, усиленного ультразвуком: 1) акустические волны могут агломерировать ультрамелкие частицы, уменьшая адсорбцию растворенных веществ на мембране и засорение пор, тем самым препятствуя загрязнению мембраны; 2) Ультразвук может обеспечить достаточную энергию механической вибрации для перемещения некоторых частиц, взвешенных в растворе, от поверхности мембраны, предотвращая осаждение частиц, эффективно уменьшая концентрационную поляризацию и образование слоя фильтрационной корки, а также значительно снижая сопротивление пограничного слоя и сопротивление фильтрационной корки; 3) Микрофлюидика, генерируемая ультразвуком, может разрушить слой геля и слой фильтрационной корки, образовавшиеся на поверхности мембраны, диспергируя их в жидкости; 4) Макроскопическая турбулентность, вызванная микроструями, ударными волнами и акустическими импульсами, может усиливать диффузию внутри основного турбулентного потока, а также вызывать локальную турбулентность в пограничном слое. Эта локальная турбулентность преобразует молекулярную диффузию в пограничном слое в вихревую диффузию, в конечном итоге усиливая конвективный массоперенос между материалом и границей раздела.

3. Ультразвуковая озоновая технология.

В настоящее время проводятся обширные исследования в области ультразвуковой озоновой технологии. Озон может генерировать химически активные свободные радикалы кислорода под действием ультразвука. Эти свободные радикалы могут объединяться с озоном с образованием кислорода или вступать в реакцию с водой с образованием сильных окислителей, таких как ·OH и ·H2O2 (формулы (1)–(4)), тем самым способствуя разложению озона и повышая эффективность реакции. Исследования Хелфреда и др. [11] показали, что ультразвук может дробить озонсодержащие пузырьки на «микропузырьки». Удельная поверхность «микропузырьков» в 101–104 раза больше, чем у обычных пузырьков, что увеличивает площадь контакта озона с водой и ускоряет скорость растворения озона в воде. Зийлани-Явас и др. [12] изучали ультразвуко-озоновый метод лечения парацетамола. Результаты показали, что комбинированная технология увеличила производство окисляющих веществ и улучшила скорость минерализации загрязняющих веществ.

4. Ультразвуково-фотокаталитическая технология.

Фотокаталитическая технология — это технология, которая использует окислительно-восстановительную способность фотокатализаторов под действием света для очистки загрязняющих веществ и синтетических веществ. Фотокаталитическая технология пользуется большой популярностью из-за мягких условий реакции и широкой области применения. Сочетание ультразвука и фотокаталитической технологии может разлагать гидрофобные вещества и расширять путь переноса фотогенерированных электронных дырок. Результаты исследования Hamdaoui et al. [13] показали, что в тех же условиях сочетание ультразвукового излучения и фотохимического процесса приводило к увеличению скорости минерализации хлорфенола по сравнению с применением раздельных технологий очистки. Это означает, что существует большой синергетический эффект между тремя процессами окисления прямого фотохимического действия, высокочастотной сонохимией и реакцией озона, генерируемой ультрафиолетовым излучением воздуха. Факторы, влияющие на ультразвуковую обработку водных ресурсов, в основном включают параметры использования ультразвука, такие как частота, мощность и интенсивность звука, а также физические и химические параметры очищаемых сточных вод, такие как температура, частицы и свойства загрязнителей. Кроме того, на процесс ультразвуковой обработки также влияют такие факторы, как интенсивность мощности ультразвука. В процессе разложения скорость реакции непостоянна. Вообще говоря, чем больше интенсивность ультразвуковой мощности, тем выше скорость реакции. Будучи экологически чистой технологией, ультразвук демонстрирует большой потенциал применения в будущей отрасли водоочистки.

Хотя эта технология достигла определенных результатов исследований, проблемы высокого энергопотребления и низкого снижения эффективности при использовании в одиночку требуют дальнейшего решения. Например, как оптимизировать структуру и производительность ультразвукового оборудования для повышения его стабильности и эффективности, как провести углубленное исследование механизма ультразвука для достижения его эффективного, безопасного и экологически чистого применения, а также как разработать новые процессы ультразвуковой обработки, чтобы адаптироваться к различным типам сточных вод и условиям качества воды, а также снизить потребление ультразвуковой энергии. Преодоление узких мест и преодоление барьеров на основе существующих исследований поможет нам адаптироваться к постоянно меняющимся проблемам качества воды.