השימוש ב-Nanoטכנולוגיה כדי לשפר את תהליכי הזימנטציה בטיפול במים

התפקיד של משקעים בטיפול במים

סינדימנטציה היא אחד התהליכים הוותיקים והנפוחים ביותר בטיפול במים.זה מסתמך על הכבידה כדי להסיר חלקיקים מושעה מן המים על ידי כך שהם מאפשרים להם להתיישב בתחתית אגן או מפיץ. בעוד פשוט מבחינה קונספטואלית, יעילות המשקעים תלויה במידה רבה בגודל החלקיקים, צפיפות, ואת התנאים הידרודינמיקה בתוך מערכת הטיפול.

בצמחים רבים של טיפול עירוני ותעשייתי, קוגניקטים כימיים וflocculants מוסיפים כדי לערער את היציבות חלקיקים מושעה ולקדם את ההתפשטות שלהם לתוך משטחים גדולים יותר, כבדים יותר, אשר להתיישב יותר בקלות.עם זאת, תוספים כימיים אלה יכולים להיות יקרים, דורשים מינון זהיר, עשוי להציג מדבקי טונה משניים או להגדיל את נפחי הגילוח.

הבנה של ננוטכנולוגיה

ננוטכנולוגיה היא המדע של מערכות פונקציונליות הנדסיות בקנה מידה מולקולרי או אטומי, בדרך כלל בטווח של 1 עד 100 ננומטרים. בקנה מידה זה, חומרים מציגים תכונות שונות במידה ניכרת ממקביליהם הגדולים.יחסי שטח שטח אל-נפח הופכים להיות גבוהים מאוד, אפקטים קוונטיים יכולים לשלוט, ואטומים פני השטח לתרום באופן משמעותי להתנהגות הכוללת.

השדה התבגר במהירות בשני העשורים האחרונים, עם יישומים המשתרעים על פני הרפואה, האלקטרוניקה, האנרגיה וההתאוששות הסביבתית. בטיפול במים, ננוטכנולוגיה נחקרת עבור סינון membrane, ההידרדרות הקטליטית של מזהמים, מודעות של מתכות כבדות, ו-mdash; כמו המוקד של מאמר זה —hment של תהליכים של הדבקה.

תכונות מפתח של ננו-חומרים ⁇ לסימנטציה

• (ב) ,0) שטח פני השטח גבוה ביחס להיקף 1FLT: מספק אתרים פעילים בשפע עבור החזקה חלקיקים ו היווצרות הזרקה
• (ב) ,0) ניתן למהנדס את ה-FLT:1: ניתן להטמיע כדי לייעל אינטראקציות אלקטרוסטטיות עם היעד contaminants
• (ב) ⁇ :0) ניתן להתאים את המורפולוגיה המחודשת ל-[[1924]]: "הצורה והגודל יכולים להיות מותאמים לשיפור המנגנונים המחודשים וההתגובות"
• (FLT:0) תכונות מגנטיות או אופטיות של LT:1: Enables מגנטי הפרדה או פונקציות פוטו-קטליטיות בנוסף לסיבוד
• (FLT:0) אפשרויות זמינות (Biocompatibility Options) 1: חלק מהנונו-חומרים יכולים להיות נועדו לחדור אל תוך מוצרים לא רעילים

מנגנונים של ננו-חומר-ההההתמדה

ננו-חומרים משפרים את המשקעים באמצעות מספר מנגנונים נפרדים שעובדים באופן סינרגי כדי להאיץ את הסרת החלקיקים ולהגביר את טווח של contaminants שניתן לטפל ביעילות.הבנת המנגנונים האלה היא קריטית עבור אופטימיזציה של עיצוב ננו-חומרי ותנאי תהליך.

פלוגנציה מוגברת ו Aggregation

חלקיקים יכולים לפעול כמו flocculants יעילים מאוד על ידי גישור בין חלקיקים מושעה ויצרו אגרגות גדולות יותר, צפופים יותר. הגודל הקטן שלהם מאפשר להם לחדור את השכבות הכפולות החשמליות המייצבות השעיה קולואידית, צמצום הדחף אלקטרוסטטי וקידום התנגשויות חלקיקים והחזקה. ברגע שחלקיקים משולבים יחד, האנרגיה הגבוהה של ננו-חומרים עוזרת לקשור אותם לתוך משטח חזק שמיישב במהירות למזהמים, לצריכת פולימרים כימיים או להפחתה יעילה יותר.

חלקיקים מתכתיים כגון דו תחמוצת טיטניום (TiO2) ו תחמוצת אבץ (ZnO) יעילים במיוחד בתפקיד זה כי הם לשאת חיובי משטח חיובי pH נייטרלי, מושך חומר אורגני טבעי טעון וחלקיקי חימר. nanomaterials מבוסס פחמן כמו גרף גרפן לספק סדינים גדול, גמיש שיכול לעוט סביב חלקיקים מרובים בו זמנית, יצירת קשרים פיזיים חזקים.

תצפיות מגנטיות והפרדה

חלקיקים מגנטיים, המורכבים בדרך כלל מ תחמוצת ברזל כגון מגנטיט (Fe3O4) או maghemite ( ⁇ -Fe2O3), מייצגים כלי רב עוצמה לשיפור המשקעים. חלקיקים אלה יכולים להיות פונקציונלי עם ligands מיקוד כי כוויות קואטמינים ספציפיים, ולאחר מכן הציג לתוך זרם המים.לאחר המאפשר זמן להגדרה ו aggregation, שדה מגנטי חיצוני הוא מיושם במהירות כדי למשוך את הניחתמתים של שעות ספורות.

תצפית מגנטית היא בעלת ערך מיוחד לטיפול במי פסולת תעשייתית המכילים מתכות כבדות, צבעים או ulions שמן. חלקיקים מגנטיים ניתן לעתים קרובות לשחזר, להתחדש, ולהשתמש בהם מחדש, מה שהופך את התהליך ליותר כלכלי וסביבתי בר קיימא מאשר משקעים כימיים קונבנציונליים.

שיפור photocatalytic של Settling

כמה ננו-חומרים, במיוחד TiO2 ו- ZnO, בעלי תכונות פוטו-קטליטיות שיכולות להפיג את הזיהום האורגני תוך כדי סיוע במשקעים.כאשר נחשפים לאור אולטרה סגול, חומרים אלה מייצרים מינים חמצן תגובתיים אשר שוברים מולקולות אורגניות לתוך חומרים מזיקים כגון פחמן דו-חמצני ומים. זה מפחית את הציפוי האורגני על חלקיקים אורגניים, וחושף פני השטח הטריים כי הם יותר זיהום של תהליך כפול של זיהום.

סוגים של ננו-חומרים יישומיים לזייף

Metal Oxide Nanoparticles

תחמוצות מתכת הן בין הננומטריים הנלמדים ביותר עבור יישומי טיפול במים.טיטאניום דו חמצני נפוץ בשל העלות הנמוכה, יציבות כימית ופעילות פוטו-קטליטית.זה יעיל להסרת אסרנית, פוספטים, וחומר אורגני טבעי באמצעות מודעות ומנגנוני ריצוף (Znc oxide) מציע יתרונות דומים עם היתרון הנוסף של תכונות אנטיביאליות, מה שהופך אותו שימושי לטיפול מזוהמים עם וירוסים אחרים של פחמן וחמצן (O) כגון זיהומים (O2 מינרלים מיוחדים).

ננומטרים מבוססי פחמן

Graphene oxide וננוtubes פחמן מושכים תשומת לב משמעותית לכוח מכני יוצא דופן שלהם, שטח משטח גדול, וכימיה משטח צדדי. Graphene oxide יכול להיות פונקציונלי כימית עם carboxyl, hydroxyl, וקבוצות epoxy כי אינטראקציה חזק עם סטיות מתכת ומולקולות אורגניות. ביישומים של משקעים, חומרים אלה פועלים כמו גם מודעות ו floccts, לוכדים, שני לוכדים יעיל יותר של חלקיקים.

nanofibers ו Nanogels

nanomaterials פולימרי מציעים את היתרון של חלקיקים טנופול וניתן להנדס להגיב על גורמים סביבתיים כגון pH, טמפרטורה, או כוח ionic. nanoparticles מבוסס Chitosan, נגזר פגזים קרום, הם breic וניתן להשתמש כדי לפלס חלקיקים טעון שלילי חומר אורגני.

היברידית ו-Comosite Nanomaterials

מחקר עדכני התמקד בשילוב של ננו-חומרים מרובים למבנים היברידיים המנצלים את נקודות החוזק של כל רכיב.לדוגמה, חלקיקים ליבה-שלמה מגנטית יכולים להיות הליבה תחמוצת ברזל של הפרדה מגנטית וארגז או קליפת פולימר עבור פונקציונליות. Graphene oxides מעוטרת מתכת חלקיקים יכול לספק גם שטח גבוה וגם פעילות קטליטית.

היתרונות של ננוטכנולוגיה-Enhanced Sedimentation

זמן עיבוד מהיר יותר

היתרון המיידי ביותר של שימוש nanomaterials ב סימנטציה הוא ההפחתה הדרמטית של זמן התיישבות. בעוד שמשקעים קונבנציונליים עשויים לדרוש כמה שעות כדי להשיג הסרת חלקיקים נאותה, מערכות nanomaterial-enhanced יכול להשיג את אותם תוצאות או יותר דקות.זה מאפשר צמחי טיפול להגדיל את לוח ללא הרחבת תשתיות פיזיות, אשר הוא בעל ערך במיוחד עבור מתקנים העומדים בפני ביקוש גדל או מוגבל.

ירידה בצריכת הכימיה

ננו-חומרים יכולים להשיג ריצוף יעיל בריכוזים הרבה יותר נמוך מאלה הנדרשים עבור קוגניקטים מסורתיים כגון אלומיניום או ferric chloride.מינו חלקיקים טיפוסי טווח בין 1 ל 100 מ"ג / L, בהשוואה ל 10 עד 300 מ"ג / L לכימיקלים קונבנציונליים.הפחתה זו מתורגמת להורדת עלויות רכישה כימיות, מופחתת כרכים, וירידה בנטל סביבתי מפריאות כימיות, בנוסף, רבים יכולים להיות מנוצלים ולהפחית את החיים מיותרים יותר.

שיפור הסרתם של גורמי ביטחון עתידיים

תהליכי סיפלה לא ממשלתיים הם לעתים קרובות יעילים להסרת חומרים אורגניים כגון תרופות, מוצרי טיפול אישיים, ותרכובות של אנדוקריני-הפוגה. ננו חומריים, במיוחד אלה עם תכונות מקודמות או פוטו-קטליטיות, יכולים ללכוד או להפיג את המולקולות הללו לצד contaminants חלקיקים. זה יכולת רב-barrier חשוב יותר ויותר כמו תקני איכות הופכים להיות יותר ויותר מטושטשים ונוכחות של מפוסחת של מים נפוץ במים.

דרישות אנרגיה נמוכות

על ידי צמצום המשקעים, ננוטכנולוגיה מפחיתה את הצורך במשאבת אנרגיה ושילוב פעולות. בתצורה מסוימת, התיישבות פסיבית עם שיפור ננו-חומרי יכולה להחליף או להשלים הבהרות מכניות, המוביל לחסכון באנרגיה משמעותית. בשילוב עם הפרדה מגנטית, האנרגיה הנדרשת כדי ליצור שדה מגנטי היא לעתים קרובות פחות מהאנרגיה הדרושה כדי לשאוב מים באמצעות מערכות סינון קונבנציונלי.

המונחים: pathogens

ננו-חומרים רבים מחזיקים בתכונות אנטי-מיקרוביאליות טחנות, שיכולים ליזום חיידקים, וירוסים ופרוטוזואה במהלך תהליך המשקעים. חלקיקים של Silver, תחמוצת נחושת, וחומרים פעילים פוטו-קטליטיים יכולים לפגוע במזכרי תאים מיקרוביאליים, DNA, ונתיבים מטבוליים.זה הוסיף חיטוי מפחית את הנטל על שלבים טיפול עוקבים כגון chlorination או זיהום, חיטוי פוטנציאלי, חיטוי, ולהפחית את המינונים כימיים שעלולים לחיטוי.

יישומים אמיתיים ומקריות

טיפול בשפכים תעשייתיים

כמה פיילוט בקנה מידה מלא מתקנים הוכיחו את היעילות של חלקיקים nanomaterial-enhanced של פסולת תעשייתית. בייצור טקסטיל, תחמוצת גרפן שימש להסרת חלקיקים צבעים ומתכות כבדות מאפקטים צבע, השגת שיעורי הסרת צבע מעל 95 אחוזים עם זמני של פחות מ -30 דקות. nanops מגנטי כבר הוצבו בתעשיית הנפט ופעולות גז כדי להפריד חלקיקים, 000 מ הפחתה של פחות מ קיבולת מגנטית.

טיפול במים

מספר צמחי טיפול במים עירוניים החלו לטייס בעיות של ננו-חומריות, כאמצעי להתמודדות עם איכות מים משתנה מקור. באזורים שבהם algal פורח לגרום לטעם ולריחות, חלקיקים דו-חמצני של טיטניום שימשו כדי לצוף ולהסיר תאים ציאניים ושרירים שלהם.

טיפול חירום ונקודת חירום

יכולת הניתוק והפעולה המהירה של ערכות חלקיקים ננו-חומריים הופכים אותו אטרקטיבי לטיפול במים חירום לאחר אסונות טבע או באזורים מרוחקים שבהם תשתיות מוגבלות. ערכות חלקיקים מגנטיים ניתן לפרוס על ידי עובדי סיוע כדי לטפל בנפחים קטנים של מים מזוהמים עם ציוד מינימלי. בדומה, flocculants מבוסס ננופינבר בצורת מטמון ניתן להוסיף כדי להפרעות מים כדי לייצר כמויות מים קצרות של מים, לאחר תקופות טיפול פוטנציאליות של הגדרות אבטחה.

אתגרים ומגבלות

גורל סביבתי וסובלנות

אחד החששות החשובים ביותר סביב השימוש nanomaterials בטיפול במים הוא שחרור פוטנציאלי לתוך הסביבה ותוצאות עוקבות על מערכות אקולוגיותquatic. ננו חלקיקים כי מערכות טיפול יכול לצבור במשקעים, להילקח על ידי אורגניזמים, ולהעביר דרך אתרי מזון.מחקרים הראו כי תחמוצת מתכת מסוימת וננו-חומרים מבוססי פחמן יכול לגרום למתחים חמצון, פגיעה, התפתחותית, והפרעות חיים רעילים, כל אחד, הבנה סביבתית, הוא סיכון חיוני של חומר נפץ.

עלויות הייצור ו-Salability

בעוד הסינתזה בקנה מידה המעבדה של ננו-חומרים הוקמה, ייצור כמויות גדולות באיכות עקבית ועלויות תחרותיות נשאר מאתגר. nanomaterials גבוהה יכול להיות יקר לייצור, ואת השלבים הפונקציונליות הדרושים כדי להתאים ביצועים להוסיף עלות נוספת. עם זאת, כלכלות של קנה מידה משתפרות כמו שיטות ייצור בוגר, ונתיבי סינתזה חלופיים כגון גישות כימיות ירוקות מפותחות כדי להפחית עלויות והשפעה סביבתית.

קבלה ציבורית והסכמה ציבורית

השימוש nanomaterials מונדס בטיפול במים לשתייה הוא כפוף לביקורת רגולטורית ברוב תחומי השיפוט. תהליכי אישור בדרך כלל דורשים נתונים רעילים נרחבים, ניתוק בדיקות, והפגנת יציבות לטווח ארוך. התפיסה הציבורית של ננוטכנולוגיה ביישומים מים היא גם גורם, שכן הצרכנים עשויים להיות מודאגים לגבי כניסת חומרים סינתטיים למים שלהם.

Nanoparticle ו-Reuse

כדי לממש את היתרונות הכלכליים והסביבתיים של ננוטכנולוגיה, שיטות יעילות להתאוששות ולשעשע חלקיקים חייב להיות מיושם. nanoparticles מגנטי ניתן לאסוף עם מגנטים חיצוניים, וכמה חומרים המבוססים על פולימר יכול להיות מופרד על ידי דילול גודל או הפלה. עם זאת, הפסדים להתרחש באופן בלתי נמנע במהלך ההתאוששות, ואת הביצועים של חומרים ממוחזר יש לעקוב כדי להבטיח איכות עקבית.

כיוונים עתידיים ומחקרים עתידיים

Biodegradable ו- Bio-Inspired ננו-חומרים

החוקרים מתמקדים יותר ויותר בפיתוח nanomaterials כי מחלחלים לא רעילים על ידי תוצרי לוואי לאחר מילוי תפקידם הטיפולי. cellulose nanocrystals, nanoparticles מבוסס lignin, ונגזרות שיוטוסאן מונדסים כדי לספק פעילות flocculation תוך כדי ששבר באופן טבעי בסביבה.

חומרים חכמים ו Stimuli-Responsive

הדור הבא של משקעים nanomaterial-enabled עשוי לכלול התנהגות מגיבה גירויים המאפשר שליטה על הביקוש של flocculation ויישב. פולימרים רגישים טמפרטורה יכול לקריסה או להרחיב בתגובה לרמזים תרמיים, שחרור contaminants שנתפס או שינוי המהירות ההתנחלותית שלהם. pH-responsive חלקיקים יכול להיות מופעל ברמות חומציות מסוימות, המאפשר בחירה של טיפול ויזואלי של מערכות חכמות אלה יכול להתאים נתונים המבוססים על איכות גבוהה.

שילוב עם פיקוח ובקרה מתקדמים

ההתכנסות של ננוטכנולוגיה עם ניטור דיגיטלי ואוטומציה מציעה פוטנציאל משמעותי עבור אופטימיזציה תהליכים. חיישנים בזמן אמת בהתבסס על ננו-חומרים יכולים לספק מדידה מתמשכת של פרמטרים מרכזיים כגון זעזוע, התפלגות גודל חלקיקים, ריכוזים contaminant. נתונים אלה יכולים להאכיל לתוך אלגוריתמים למידת מכונה אשר מתאימים את ננו-חומרים, ערבוב אינטנסיביות, וקבועים כדי לשמור על ביצועים אופטימליים אלה יכול לפעול עם תנאים מינימליים של מערכות סייבר-פיזיות עם טיפוליות עם מינימום כדי להתאים את תנאי התערבות אנושית.

שילובים סינרגטיים עם Membrane Filtration

הנפיחות הננומטרית-enhanced יותר ויותר משולב עם סינון membrane כדי ליצור רכבות טיפול היברידית. בגישה זו, ננו-חומרים להסיר במהירות את רוב מוצקים מושעה ומזהמים גדולים יותר, להפחית את העומס המרעישע על membranes במורד הזרם.ה membranes ואז ללטש את השפע על ידי הסרת חלקיקים בסדרות וממסים כי נמלטים כי ישנן בין שתי טכנולוגיות אנרגיה גבוהות יותר.

שיקולים מעשיים ליישום

מומחי טיפול במים בהתחשב באימוץ של משקעים ננו-חומריים-ננדסיים צריכים להעריך כמה גורמים מעשיים.האפשרות של ננו-חומרים עם תשתיות טיפול קיימות, כולל שילוב ציוד, מאגרי אגן, מערכות טיפול ניתוק, יש להעריך. דרישות הכשרה לאימון אופרה, ניטור פרוטוקולים, ותכניות עקביות עבור ננו-חומרים או הודעות מקריות יש לפתח ניתוח עלות-תועלת יסודית, אשר חשבונות הון סיכון לחיסכון כימי, קבלת החלטות פסולת תפעוליות, קבלת החלטות חיוניות עבור פסולת.

שיתוף פעולה עם ספקים ננו-חומריים, חוקרים אקדמיים וסוכנויות רגולטוריות יכול להקל על בדיקות פיילוט וטכנולוגיה אימות.תחומים רבים מציעים תוכניות מימון עבור טכנולוגיות טיפול במים חדשניות, אשר יכול להפחית חלק מהסיכון הפיננסי הקשור לאימוץ מוקדם.

מסקנה

ננוטכנולוגיה מייצגת התקדמות משמעותית ביכולת לשפר את תהליכי המשקעים לטיפול במים.על ידי ניצול המאפיינים הייחודיים של חומרים ב nanoscale, מערכות טיפול יכולות להשיג התיישבות מהירה יותר, שיפור הסרת מגוון רחב יותר של contaminants, ולהפחית צריכת כימית ואנרגיה. מתכת חלקיקים, חומרים מבוססי פחמן, וננופיברים פולימרנים כל הצעה יתרונות שונים שיכול להיות מותאם לאתגרים ספציפיים של מים.

בעוד אתגרים הקשורים לבטיחות סביבתית, עלויות הייצור וקבלה רגולטורית נשארים, מחקר מתמשך מטפל במהירות בנושאים אלה.מונוחומרים biodegradable, מערכות התאוששות מגנטיות, וחומרים חכמים מגיבים הם מתעוררים כפתרונות שיכולים להפחית סיכונים תוך שמירה על ביצועים.שילוב של ננוטכנולוגיה עם טכנולוגיות טיפול אחרות וכלים ניטור דיגיטלי הוא סוללת את הדרך עבור מערכות טיפול במים הדור הבא הם יעילים, מתאימים, בר קיימא.

ככל שהלחץ העולמי על משאבי מים גובר בשל גידול האוכלוסייה, התיעוש ושינוי האקלים, הצורך בפתרונות טיפול חדשניים מעולם לא היה גדול יותר.הההתמדה של ננוטכנולוגיה-החדשה מציעה כלי מעשי ורב עוצמה לפגישת האתגר הזה, מתן מים נקיים עם השפעה סביבתית פחות.המשך השקעה במחקר, הדגמה וידע יזרז את המעבר מהבטחת מעבדה להשפעה אמיתית, לטובת קהילות בעולם.