אתגר גדל והולך של זיהום מים

הגישה למים נקיים היא אחד האתגרים הגלובליים הדוחקים ביותר של המאה ה-21. פריקה תעשייתית, מפלט חקלאי וממים פסולת מקומיים מציגים מגוון רחב של זיהום לתוך מקורות מים, כולל מתכות כבדות, תרכובות אורגניות, פתוגנים, ומזהמים מתעוררים כמו תרופות ומיקרופלסטיקה.

מהו משקעים מגנטיים?

המשקעים המגנטיים הם תהליך הפרדה פיזיו-כימי המשתמש חלקיקים מגנטיים – באופן חד-משמעי ב nanoscale למגוון מיקרו-ממדי – כמו ספקים כדי לקשור עם מאחזי מטרה, ברגע שהמזהמים מחוברים לחלקיקים המגנטיים, שדה מגנטי חיצוני מוחל על מנת להפריד במהירות את כל המורכב מזרם המים.טכניקה זו יכולה להשיג יעילות רבה יותר מאשר אלה המבוססים על כוח המשיכה, לעתים קרובות, על חלקיקים מגנטיים, במקום על פני זמן קצר, או על מנת להפחית את ההבדלים המהיר, במקום על מנת למנוע את ההבדלים המהיר.

התפקיד של חלקיקים מגנטיים

ההצלחה של המשקעים המגנטיים תלויה במידה רבה בעיצוב החלקיקים המגנטיים עצמם.בדרך כלל, ננו חלקיקים חד-חמצני ברזל (כגון מגנטיט, Fe3O4, או maghemite, ⁇ -Fe2O3) משמשים כי הם מציגים תכונות מגנטיות חזקות, הם זולים יחסית, וניתן לסנתז עם גדלים מבוקרים, צורות, וכימאמים אלה הם לעתים קרובות עם חלקיקים מורכבים, כגון פוליגרציה יעילה, כדי לספק חומרים מגנטיתיים מיוחדים, כדי לשפר את חומר מכניים, כדי לשפר את חומר נפץ יעיל יותר, כדי לשפר את רמת יעילות גבוהה.

כיצד פועל תהליך הזימנטציה המגנטי

תהליך המשקעים המגנטי המלא יכול להישבר לכמה שלבים מוגדרים היטב, כל אחד קריטי להשגת ביצועים אופטימליים.

שלב 1: תנאי מקדים ו- Particle Addition

לפני שהחלקיקים המגנטיים מוצגים, המים המזוהמים עשויים לעבור צעדים מוקדמים כגון הסתגלות pH או תוספת של coagulants כדי להקל על אינטראקציות חלקיקים-contaminant.החלקיקים המגנטיים מפוזרים גם בכל המים, בדרך כלל באמצעות שילוב מהיר או פיזור קולי כדי להבטיח את המגע שטח פני השטח המקסימלי עם האקטונטים.

שלב 2: Contaminant Binding (Adsorption או Sequestration)

לאחר שהתפזרו, החלקיקים המגנטיים השייכים למזהמים באמצעות מנגנונים שונים בהתאם למזהמים המטרה.

  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ (בשיתוף) בין קבוצות פונקציונליות כמו carboxyl, amine, או thiol.
  • (ב) ◄0 (ה אינטראקציות ההידרופוביות: FLT:1) עבור אבקות אורגניות ושמנים, אזורים שאינם קוטביים מושכים.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ : ⁇ : ⁇ 1 (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שטח פני השטח גבוה ציפוי פונקציונלי להבטיח כי מחייב מתרחשת במהירות עם יכולת גבוהה.זמן מגע יכול להיות קצר כמו כמה דקות עבור כמה מערכות.

שלב 3: יישום שדה מגנטי והפרדה

לאחר זמן מגע מספיק, שדה מגנטי חיצוני מוחל - או באמצעות מגנטים קבועים או אלקטרומגנטים - כדי למשוך חלקיקים מגנטיים contaminant-laden.שדה ⁇ כוחות את החלקיקים מתוך השעיה ו לעבר פני השטח המגנטי, שבו הם מצטברים.שלב זה יכול להתבצע באופן אצוץ (למשל, בתוך מיכל עם מגנט שקוע) או זרימה רציפה של מערכת חשמל, לאחר מכן, הוא יכול להיות חזק יותר חזק יותר מאשר זרם מגנטי.

שלב 4: שיקום והתחדשות

לאחר הפרידו, הפעוט המגנטי שנאסף יכול להיות מעובד כדי לשחזר את החלקיקים המגנטיים לשימוש חוזר.זה כרוך לעתים קרובות לשטוף את החלקיקים עם פתרון desorbing (למשל, חומצה או בסיס) כדי למנוע את המדבקים, ואחריו בתנאי מחדש של פני השטח חלקיקים.התחדשות לא רק מפחית עלויות הפעלה אלא גם מצמצם את הפסולת משנית.

Contaminants בוטלה בהצלחה על ידי משקעים מגנטיים

הגמישות של המשקעים המגנטיים הוכחה עבור מגוון רחב של contaminants, מה שהופך אותו פתרון מבטיח עבור תרחישים רבים של טיפול במים.

מתכת כבדה

מוביל, קדמיום, כספית, ארסן, כרום, נחושת, ניקל הם מתכות רעילות נפוצות שנמצאו במי פסולת תעשייתי. חלקיקים מגנטיים פונקציונליים עם סוכנים מקצים (למשל, EDTA, DTC) או ציפויים חד-חמצני (למשל, דו-חמצני מגנים) יכולים להשיג יעילות של הסרת יעילות של מעל 95% בריכוזים נמוכים.

זיהום אורגני

(ד) חומרי הדברה, תרופות, תרכובות של אנדוקריני-הפוגה, ופנולים הם קונטמינים אורגניים נפוצים.חלקיקים מגנטיים המצופה פחמן מופעל, תחמוצת גרפן, או cyclodextrin לספק יכולת מודעות גבוהה עבור מולקולות אלה. במחקר אחד, ננוקומה מגנטית תחמוצת הוסרה מעל 99% של צבע methylene כחול מפתרונות queous (Frea:0source:1).

פתוגנים ומיקרואורגניזמים

Bacteria, וירוסים ופרוטוזוה ניתן להסיר על ידי חלקיקים מגנטיים באמצעות דבקות אלקטרוסטטית או באמצעות חלקיקים מגנטיים המפוצצים עם נוגדנים או סוכנים אנטימיקרוביאליים.זה חשוב במיוחד בטיפול במים ומניעת מחלות מיבורן.

נפט ונפט

פיסות שמן ושפכים תעשייתיים הם בעייתיים לטיפול קונבנציונלי. חלקיקים מגנטיים עם ציפוי הידרופובי יכולים לספוג שמן תוך כדי דריסה של מים, המאפשר הסרת יעיל של מזחלות שמן.לאחר הפרדה, שמן ניתן לשחזר ואת החלקיקים בשימוש מחדש.

יסודות רדיואקטיביים

עבור פסולת גרעינית, הסרת מגנטית של רדיונוקלידים כגון cesium, סטרואנטיום ואורניום נחקר באמצעות חלקיקים מגנטיים פונקציונליים במיוחד אשר כופים את הסטיות האלה ביעילות, המציע אלטרנטיבה בטוחה יותר לשיטות חילופי יון מסורתיות.

יתרונות מרכזיים בטכניקות של חיזוי

סימנטציה מגנטית מציעה מספר יתרונות משכנעים אשר הובילו את אימוץ שלה ביישומים מיוחדים ומחקר מתמשך לשימוש רחב יותר.

  • (FLT:0) הפרדה מהירה יותר מבחינה רדיאלית: כוחות מגנטיים 1FLT:1 יכולים להשיג הפרדה בתוך דקות בהשוואה לשעות או ימים ליישבות כבידתית.זה מקטין את נפח הטנק הנדרש ואת טביעת הרגל של צמחי טיפול.
  • (FLT:0) בחירה גבוהה: FLT:1 על ידי התאמה הכימיה של חלקיקים מגנטיים, מפעילי יכולים לכוון contaminants ספציפיים אפילו בתערובת מורכבת, צמצום ההתערבות ושיפור איכות המים.
  • (FLT:0) לצריכת כימיקלים: FLT:1 שלא כמו כפייה של coagulation-flocculation כי לעתים קרובות דורש מנות גדולות של מלחים ופולימרים אורגניים, משקעים מגנטיים יכולים לעבוד עם תוספים כימיים מינימליים, צמצום עלויות ונטל סביבתי.
  • (ב) כרך ה"ד": ⁇ : ⁇ : ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) אחריות של חלקיקים מגנטיים: FLT:1 התחדשות מוצלחת מפחיתה עלויות החומר לאורך זמן ותומכת בגישה של כלכלה מעגלית.
  • (FLT:0) טוהר של מזהמים בעלי ריכוז נמוך:Felo:FLT:1 מאבקים מסורתיים עם מאחזים עקבות, אבל חלקיקים מגנטיים יכולים ללכוד אפילו רמות ננוגרם-צמצם בשל זיקה גבוהה שלהם ואת שטח משטח ספציפי גדול.
  • (FLT:0) טביעת רגל קטנה: ⁇ FLT:1) מבדלים מגנטיים יכולים להיות קומפקטיים ומודולאריים, מה שהופך אותם מתאימים לחזרה למתקנים קיימים או ליחידות טיפול ניידות.

השוואות אנרגיה

בעוד שדור השדה המגנטי דורש אנרגיה, צריכת האנרגיה הכוללת היא לעתים קרובות נמוכה יותר מאשר טיפולים מתקדמים חלופיים כמו סינון membrane או מודעות פחמן מופעל כאשר חשבונאות עבור משאבה והתחדשות.זמני מגע קצרים ועומס גבוה גם לתרום אנרגיה נמוכה יותר נפח טיפול.

יישום אמיתי בעולם של משקעים מגנטיים

סימנטציה מגנטית אינה רק סקרנות מעבדה; היא מיושמת במספר הקשרים המסחריים והתעשייתיים, עם פרויקטים מתמשכים המתפשטים את טווח ההגעה שלה.

טיפול בשפכים תעשייתיים

בכריית, אלקטרו-פלינג ותעשיות השלמת המתכת, מים המכילים מתכות כבדות היא בעיה משמעותית.מערכות הפרדה מגנטיות משמשות כדי לשחזר מתכות יקרות ערך (למשל, נחושת, ניקל) ולעמוד בתקנות השחרור.לדוגמה, החברה (FLT:0 Magnetic Separation Systems, Inc.FLT:1 מספקת מפרידים מגנטיים גבוהים ליישומים תעשייתיים כי ביעילות להסיר קנס מגנטיים ומולקולות ממרחק חלקיקים.

טיפול במים עירוניים ושפכים

מספר רשויות עירוניות ניתחו את המשקעים המגנטיים כצעד טיפול tertiary לטיפול בפולני ולסלק זרחן, השעויים מוצקים, ועקבות אחר זיהום אורגני.הטכנולוגיה יכולה לשמש גם לטיפול ראשוני מהיר, צמצום העומס על מערכות ביולוגיות.

שמן שמן Spill ניקוי

בתגובה לדליפות נפט, חלקיקים מגנטיים יכולים להיות פרוסים ישירות על פני המים כדי לספוג שמן, לאחר שדה מגנטי אוסף את תערובת חלקיקים שמן.השיטה הזו מפותחת כחלופה לסקימרנים ולתפזרים, המציעה איסוף מהיר יותר ושיעורי התאוששות גבוהים יותר.

המונחים: soil and Sediment Remediation

המשקעים המגנטיים יכולים גם להיות מיושמים כדי לשטוף אדמה מזוהמת.הטכניקה משמשת להפריד מתכות כבדות ומזהמים אורגניים מתמידים מחלקיקים אדמה על ידי ערבוב הקרקע עם חלקיקים מגנטיים ומים, ולאחר מכן הפרדה מגנטית של contaminants.זה מפחית את נפח הפסולת המסוכנים הדורשים סילוק.

שתייה של מים בהגדרות חירום

יחידות משקעים מגנטיות קומפקטיות מפותחות להקלת אסון ואזורים מרוחקים שבהם תשתיות טיפול במים קונבנציונליות אינן זמינות.יחידות אלה יכולות לטפל במהירות בחבילות קטנות של מים כדי לספק מים לשתייה בטוחה עם הכשרה מינימלית של המפעילה.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות הרבים שלה, סימנט מגנטי עומד בפני כמה מכשולים שיש לטפל בהם לאימוץ נרחב.

עלויות של חלקיקים מגנטיים

הסינתזה של חלקיקים מגנטיים איכותיים, פונקציונליים יכול להיות יקר, במיוחד עבור יישומים בקנה מידה גדול.עם זאת, כלכלות של קנה מידה וטכניקות ייצור משופרות להפחית בהתמדה את העלויות.היכולת לחדש חלקיקים גם מסלקים את ההשקעה הראשונית לאורך זמן.

Scale-Up and Engineering

תכנון משתנים מגנטיים זורמים רציף שמירה על יעילות גבוהה בשיעורי זרימה של מיליוני גלונים ליום נשאר אתגר. כוח השדה המגנטי ו ⁇ חייב להיות מותאם כדי למנוע כריתת עצים ולהבטיח לכידת אחיד.

רגישות סביבתית פוטנציאלית של חלקיקים

אם חלקיקים מגנטיים משוחררים לסביבה, הם יכולים להוות סיכונים לאורגניזמים מימיים. בעוד תחמוצת ברזל נחשבת בדרך כלל נמוכה רעילות, ציפויים וקבוצות פונקציונליות עשויים להיות השפעות לא מכוונות.מחקר מתמקד בפיתוח חלקיקים ביו-דידקליים או בקלות לשחזר, כמו גם שיפור יעילות ללכוד כדי למזער את הדליפה.

תחרות עם שיטות מבוססות

פיזור לאמנה, סינון קרום, ומשקעים כימיים הם מפורשים היטב ויש להם תשתיות קיימות. [+] מינוף תעשיות לאמץ טכנולוגיה חדשה דורש להפגין יתרונות כלכליים וסביבתיים ברורים לאורך זמן.

מגמות מחקר ודרכים לעתיד

תחום המשקעים המגנטיים מתפתח במהירות, עם מספר דרכים מבטיחות של חקירה.

  • החוקרים מעצבים חלקיקים אשר יכולים במקביל למודעות סוגים רבים של contaminants או אפילו לחדד אותם באמצעות photocatalysis או פנטון- כמו תגובה לאחר לכידת מגנטית.
  • (FLT:0) אוטומטי ושליטה בתהליך: אינטגר 1) אינטגרטיבי חיישנים בזמן אמת ולמידה מכונה כדי לייעל חלקיקים, ערבוב אינטנסיביות, וכוח השדה המגנטי המבוסס על פרמטרים איכותיים במים הוא אזור גדל.
  • (ב) ⁇ :0) מערכות היבריות: ⁇ :1 , שילוב של משקעים מגנטיים עם טכנולוגיות אחרות כגון membranes (ביוקטורים מגנטיים) או תהליכי חמצון מתקדמים להרס מוחלט.
  • (FLT:0) סינתזה ירוקה: FLT:1 שימוש בצמחים או תהליכים מיקרוביאליים כדי לייצר חלקיקים מגנטיים באופן ידידותי לסביבה, צמצום ההסתמכות על כימיקלים קשים.
  • (FLT:0 Magnetic פולימרים ו חרוזים מורכבים:ראהFLT) 1 חלקיקים מגנטיים גדולים יותר (למשל, שינוי יון מגנטי) כי הם קלים יותר לטפל ופחות סביר להשתחרר לתוך effluent הם צוברים תשומת לב עבור יישומים בקנה מידה.

מסקנה

משקעים מגנטיים מייצגים שינוי פרדיגמטי כיצד אנו ניגשים להסרת מים.על ידי מינוף כוח המגנטיזם, טכניקה זו מתגברת על מגבלות רבות של משקעים קונבנציונליים - במהירות חסרת תקדים, סלקטינות, וקיימות. בעוד אתגרים נשארים במונחים של עלות, עלייה בקנה מידה, בטיחות סביבתית, מחקר מתמשך ויישומים בעולם האמיתי הם להוכיח את הערך שלה.