مواد مبتكرة لزيادة كفاءة فسخ الأوزون في المياه

عدم استقرار الأوزون وتحلله

وبعد حل الأوزون، يزيل بسرعة متطرفات الهيدروكسيل (OH) وغيرها من أنواع الأكسجين التفاعلية، ولا سيما في وجود الاضطرابات، أو ارتفاع درجة الحرارة، وفي حين أن هذه المتطرفات مفيدة للتحلل، فإن التحلل المبكر في مرحلة الغاز أو في واجهة الفقاعة يقلل من كمية الأوزون المتاحة للتفكك.

الطاقة والتكاليف الاقتصادية

ويستهلك توليد الأوزون عن طريق تفريغ الكارونة أو تحلل الصور الفوتوغرافية فوق البنفسجية طاقة كهربائية كبيرة (تراوح بين 10 و20 كيلوواط لكل كيلوغرام من أوكسيدات أوكسيد الكربون)(3) ) ويزيد من فسخ الطاقة بسبب انخفاض كفاءة الأوزون بسبب الحاجة إلى توليد المزيد من الجرعات المفككة بالإضافة إلى نظم معالجة الغازات البعيدة (اللازمة أو نقصان الطلب)

المواد الابتكارية لتعزيز حل الأوزون

وعلى مدى العقد الماضي، تحول الباحثون إلى مواد متقدمة للتغلب على القيود المفروضة على الموصلات التقليدية، وكان التركيز على زيادة المساحة السطحية المحددة للنقل الجماعي، والسيطرة على حجم الفقاعات، وتحقيق الاستقرار في واجهة الغاز - السائل، بل وتعزيز تحويل الأوزون إلى متطرفين عند حلها، وتشمل الفئات الأكثر واعدة الميثراميات الخزفية، والغطاء الهيدروفي، ومجموعة من المواد الناشطة.

Porous Ceramic Membranes

ومتوسطات السيراميات الشائعة التي يتم عادة صنعها من الألومينا (الـ₂]O ₃) أو الزركونيا (ZrO₂) أو تشكيلة السيليكون المُختلِّفة (SiC)

(ب) أن تكون هناك نسبة من المواد الكيميائية [الخامسة] إلى المادة الكيميائية ([الخامسة]) التي تزيد على المقياس ([الحجم) ([الحجم:])

التدوينات الهيدروغرافية والتعديلات السطحية

ونظراً لأن غاز الأوزون هو الهيدروفوبائي، فإن تحسين الهيدروفيلية لسطح الاتصال يمكن أن ييسر نقل جزيئات الأوزون عبر واجهة الغاز - السائلة - وقد طور الباحثون المعاطف الكهرمائية - التي غالباً ما تستند إلى الخلايا المتعددة الإيثيلين والكحول الكثيفية الكثيفة البوليفينيلية، أو البوليمرات المحتوية على البوليفيون - التي تُربط بصورة متزامنة بمواد غير مسمة (eg).

وتشمل استراتيجية أخرى طلاء البوليمرات الزويترية أو البوليمرات الغنية بالفلور أو الكبريت على سطح البحر، وهذه المعاطف لا تعزز الهيدروفيلية فحسب، بل تخلق أيضا طبقة من الهيدرات تحجب تحلية الأوزون على السطح.

المواد المصنَّعة هيكلياً والتحسينات الحفازة

وتوفر المواد المجهزة ببندقية ذات فائدة مزدوجة: فهي توفر مناطق سطحية عالية جداً للاتصال بالبعوض الغازي، ويمكنها تحفيز التحول السريع للأوزون إلى متطرفات هيدروكسيل عالية التفاعل عند الوصل، وهذا التآزر مستصوب بصفة خاصة في عمليات التأكسد المتقدمة حيث يلزم توليد جذري سريع.

جزيئات الأوكسيد النانوب

Nanoparticles of TiO₂, MnO_2[FLT,

Carbon Nanotubes and Graphene

Carbon nanomaterials, including multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and graphene oxide (GO), possess excellent electrical conductivity and high surface area. When incorporated into composite membranes, they can improve both the mass transfer and the catalytic activity. Graphene oxide, in particular, has abundant oxygen-Ocontaining functional groups (of-OH),

Metal —Organic Frameworks (MOFs)

إن المواد الفلورية هي مواد بلورية مخروطة ذات أحجام مائلة وسطح داخلي قابل للتشبث، وقد أظهرت بعض هذه المواد، مثل ZIF -8 و MIL -53، القدرة على فرز وتركيز الأوزون على سطح القطب، تليها إطلاقات متحكم بها في المياه، وقد يؤدي هذا التأثير " إلى تخزين " إلى حدوث تقلبات في إمدادات الغاز وتحسين الاتساق العام في تركيزات المختبرات المُعِدة.

آليات تعزيز حل المنازعات

ومن الأهمية بمكان فهم كيفية تحسين هذه المواد المبتكرة للحل، اختيار التكنولوجيا المناسبة لتطبيق معين، ويمكن تجميع الآليات الأساسية في ثلاث فئات:

• Increased Interfacial Area:] Porous membranes and nanomaterials create a high density of gas —liquid interfaces within a small volume. For example, a ceramic membrane module with sub-micubron pores can provide a specific surface area of 10,000-50,000 m2/m3, compared to 100-5002/muser
• Reduced Bubble Size:] Materials that promote hydrophilic surfaces (coatings, nano structures) lower the surface tension at the pore exit, causing bubbles to detach at much smaller diameters (down to tens of nanometers). Smaller bubbles have higher internal pressure and slower up velity
• (أ) ) [الجيل الإشعاعي التحليلي: ] بعض المواد (TiO₎₍₂₎ ، MnO₍₂₎ ، عوامل حفازة قائمة على الكربون) تحفز على إزالة الأوزون في الواجهة الواجهة الواجهة الواجهية في التحلل الحراري.

وهذه الآليات غير حصرية على نحو متبادل؛ إذ تجمع مواد متقدمة كثيرة بين الثلاثة، فعلى سبيل المثال، فإن مادة ميغاواط ₂] - تشكل ميدرامبراينة مراعية في آن واحد منطقة مرتفعة بين الوجوه، تنتج فقاعات صغيرة عن طريق معطفها الهيدروفي، وتتحول بصورة محفزة إلى متطرفين، مما يؤدي إلى كفاءة في التفكك عموماً يمكن أن تتجاوز 99 في المائة.

التطبيقات والفوائد

ويترجم تحسين حل الأوزون الذي تتيحه هذه المواد المبتكرة إلى مزايا ملموسة عبر طائفة واسعة من تطبيقات معالجة المياه.

معالجة مياه الشرب البلدية

وفي أحواض التقويم التقليدية، تبلغ كفاءة نقل الأوزون في العادة 60-80 في المائة، ويمكن لإعادة استخدام أجهزة الاتصال بالدماغيات السهرمية أن تزيد من ذلك الرقم إلى 95-99 في المائة، مما يتيح للمرافق خفض قدرة المولدات الكهربائية للأوزون بنسبة 25 إلى 40 في المائة، مع بلوغ نفس الأهداف المتعلقة بالتفكيك، مما يقلل من تكاليف رأس المال واستهلاك الطاقة، علاوة على أن الأكسدة التي تحركها الدراجية من سلائفات البلاستيكية تكسر في الموصلات.

إعادة استخدام المياه المستعملة والارتقاء بها

والملوثات العضوية الثابتة القائمة على الأوزون ضرورية لإزالة الملوثات العضوية المتبصلة (مثل المستحضرات الصيدلانية، ومؤخرات اللهب) في مخططات إعادة استخدام المياه، وقد تبين أن أجهزة النانو الهيكلية المدمجة تحقق ⁇ 90٪ من إزالة مركبات مثل الكاربازفين وال سلفامتثالينات ذات الجرعات الأوزون من 1 إلى 2 ملغم/لتر، في حين أن الأوزون التقليدي وحده يتطلب أيضاً 3-5 ملغم/لتر.

برجي المياه والتبريد التابع للعملية الصناعية

وفي برج التبريد، تستخدم الأوزون في التحكم في التبريد الأحيائي والارتقاء دون مواد كيميائية خطرة، كما أن المعاطف الهيدرولوجية على سطح الموصلات تعزز حل الأوزون، وتحسين مراقبة الرش الحيوي مع خفض انبعاثات الغازات من حيث الأوزون (التي يمكن أن تلحق الضرر بالمعدات القريبة) كما أن ارتفاع معدلات النقل الجماعي للممرات السهرية يتيح أيضا مزيدا من الاتصالات المدمجة، مما يقلل من آثار تركيبات الارتداد في المرافق الفضائية.

تربية الأحياء المائية وتربية الأحياء المائية

وفي مجال إعادة تصميم نظم تربية الأحياء المائية، يساعد الأوزون على مراقبة المسببات المرضية ومستويات الأمونيا، ويحول الدقة التي يوفرها الحل المبني على الغشاء دون إلحاق الأوزون المتبقّى السامة بالأضرار بالصيد، وتصبح المواد المحتوية على موزّع مائي جذابة بشكل خاص هنا لأنها يمكن أن توفر إمدادات ثابتة من الأوزون منخفضة التركيز، وتضاهي المعالجة المستمرة للجر المنخفض التي تتطلبها النظم البيولوجية الحساسة.

وتشمل الفوائد الكمية التي لوحظت في الدراسات التجريبية والشاملة ما يلي:

• تخفيض استهلاك الطاقة لتوليد الأوزون والخلط بينه وبينه
• انخفاض بنسبة 80 في المائة في تركيز الأوزون خارج الغازات (تبسيط متطلبات دخيلة)
• استخدام كيميائي أقل بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة في مرحلة ما بعد المعالجة (مثل انخفاض الحاجة إلى أكسيد الهيدروجين في الملوثات العضوية الثابتة)
• مدى عمر الموصل الموسع بسبب مزيج من عدم الدقة الكيميائية وقابلية التنظيف للمواد السهرية/الكربونية

الاتجاهات المستقبلية

وبينما تنتقل المواد التي نوقشت بالفعل من مختبرات البحوث إلى المظاهرات التجريبية، فإن عدة تطورات مثيرة في الأفق:

التكتل الذكي والمستجيب

ويقوم الباحثون بتطوير المعاطف التي تغير من خامتها المائية استجابة لكيمياء المياه أو تركيز الأوزون، وعلى سبيل المثال، فإن كدمات البوليمر التي تنتقل من الهيدروفوبيك إلى الهيدروفيليك عندما تكون عرضة للأوزون يمكن أن تُحدّد حجم الفقاعات ومعدل التفكك، وتُحدّد الأداء الأمثل في الوقت الحقيقي، ويمكن أن تزيل هذه المواد الذكية الحاجة إلى نظم معقدة لمراقبة العمليات.

Membranes ذاتية الترميز وقابلية التجدد

وثمة حاجز واحد أمام اعتماد أجهزة الإغراق المجهزة بالنانووية يُعيرها من قبل المواد العضوية الطبيعية أو المهيمنات غير العضوية، وقد تتضمن المواد المقبلة مواد مُحللة للصور (مثلاً، تيو أو _{(2) [مُعدلة]} ) أو وظائف للتكتّر الذاتي الكهروكيميائي التي تُحطّ من أنواع الارتج خلال دورات مُن.

الأحياء المُلهمة

(ب) تقدم الطبيعة حلولاً واضحة لتبادل الغاز - مثل سلاسل الأسماك، على سبيل المثال، تحقيق معدلات نقل كبيرة بشكل غير عادي من خلال هياكل هرمية.() ويستنسخ العلماء هذه التصميمات باستخدام ثلاث مجموعات من المواد الكيميائية البيولوجية المطبعة مجهزة بمواد قابلة للمقارنة للأوزون.() ويمكن أن تُنجز التصميمات الدقيقة ذات التركيز المتغير للهيدرفيل/الهيدروفوبيك([1])

التكامل مع الطاقة المتجددة

إن نظم حل الأوزون ذات الكفاءة العالية هي شركاء مثاليين لتوليد الأوزون بالطاقة الشمسية أو التي تعمل بالريح، ولأنها تقلل من جرعة الأوزون المطلوبة والطاقة لكل جرام من الأوزون المذوب، فإنها تتيح معالجة المياه خارج الشبكة في المناطق النائية أو التي تمزقها الكوارث، ويمكن أن تؤدي " البطاريات الازدحامية " التي تخزن الأوزون في ضغوط متجددة مأمونة إلى مزيد من التآكل، مما يؤدي إلى تعطل الطاقة.

خاتمة

ويواجه التحدي المتمثل في حل الأوزون بكفاءة في المياه جيل جديد من المواد المتقدمة - أي الأغشية الخزفية، والغطاء الهيدروفي، والحفازات التي تعمل بالهيكل النانوي - التي تؤدي إلى تحسين كبير في النقل الجماعي، وتقليص حجم الفقاعات، وتحفز ردود الفعل الجذرية، وتسمح هذه الابتكارات بمرافق معالجة المياه بتحقيق قدر أكبر من التحلل والتحلل الذاتي مع انخفاض المدخلات في مجالي الطاقة والارتقاء الكيميائيات.