С ростом мирового спроса на чистую воду существует постоянная потребность в улучшении качества и производительности процессов очистки воды. Исследователи продолжают поиски решений, и некоторые из них оказываются весьма неожиданными. Например, процесс фильтрации воды с использованием диоксида углерода потребляет в тысячу раз меньше энергии, чем традиционные методы
Применяемые методы механической и биологической очистки воды в основном используют фильтрацию и обработку химическими реагентами. Некоторые из них получили массовое распространение, другие применяются не так широко. Повсеместно используемые сейчас технологии очистки создали целые подотрасли в химической и машиностроительной промышленности, и создается впечатление, что в данной области ничего нового уже нельзя придумать.
Исследование, опубликованное в научном журнале «Nature Communications», сообщает о новом методе очистки воды, в основе которого лежит использование углекислого газа (CO2). Метод был разработан группой исследователей из Принстонского университета (США), и теперь продолжает развиваться в лабораториях университетов других стран.
В настоящее время в основе технологий фильтрации воды, таких как обратный осмос, микрофильтрация или ультрафильтрация, для удаления взвешенных частиц и растворенных веществ используются пористые мембраны. Чтобы отделить взвешенные частицы – мелкий ил и биочастицы – неочищенная вода проталкивается через пористый материал с отверстиями, которые намного меньше, чем сами частицы. Энергия при этом в основном расходуется на преодоление трения из-за протискивания воды через микроотверстия в фильтровальном материале. Помимо существенных энергозатрат высокую стоимость фильтрации обусловливает и необходимость периодической замены мембран из-за загрязнения, причем, чем тоньше фильтрация, тем приходится чаще менять фильтры. Теперь предлагается альтернативный безмембранный метод отделения взвешенных частиц воздействием CO2.
Основа метода
Растворение CO2 во взвеси создает градиенты растворенного вещества, которые управляют движением частиц. Из-за большого диффузионного потенциала, возникающего при диссоциации углекислоты, коллоидные частицы перемещаются либо от границы раздела газ-жидкость, либо в зависимости от их поверхностного заряда. Направленное движение частиц, вызванное воздействием СО2, создает масштабируемый непрерывный процесс фильтрации без применения мембранных элементов, за счет чего и возникают условия для низкого энергопотребления – на три порядка ниже, чем требуют обычные процессы микрофильтрации / ультрафильтрации. В результате вода, по сути, не содержит механических и биологических загрязнений.
Безмембранное разделение взвешенных частиц обычно достигается седиментацией (осаждением), которая зависит от силы тяжести. Когда суспензии (взвеси) частиц стабильны, например, из-за того, что частицы являются небольшими, с нулевой плавучестью и незаряженными, осаждение без дополнительных усилий неэффективно и требуются добавки, чтобы вызвать агрегацию – слипание контаминантов в более крупные частицы (коагуляцию или флокуляцию) – и этим ускорить осаждение.
Следовательно, принудительное создание направленного движения коллоидных частиц в стабильных суспензиях имеет решающее значение для эффективности процессов безмембранного разделения.
Существует несколько способов создания направленного движения коллоидных частиц за счет использования внешней силы, например, электростатические, диэлектрические, магнитные, акустические или оптические, инерционные эффекты и т. п. Менее известен, но достаточно эффективен, способ создания движущих сил за счет химического градиента из-за диффузиофореза, возникающего при контакте растворов с различными концентрациями растворенного вещества.
Диффузиофорез коллоидных частиц может быть достигнут также путем растворения газа в жидкости, а именно растворения CO2 в воде и его последующей диссоциации, которая создает градиенты концентрации ионов и направленное движение частиц контаминантов. Создание направленного движения загрязнителей, вызванного растворением CO2, может использоваться для удаления частиц при очень низком потреблении энергии. Кроме того, СО2 – это реагент, который имеется в изобилии, биологически безопасен, а после растворения в воде его можно легко отделить от нее.
Принцип работы
Чтобы проверить гипотезу о том, что воздействие СО2 может вызывать достаточные градиенты концентрации ионов для управления движением частиц под воздействием газового индуцированного диффузиофореза и отделения контаминантов, исследователи разработали «микрожидкостную» установку, в которой создается стабильная граница раздела газ-жидкость (см. рис. 1 а). Устройство для демонстрации принципа работы нового метода было изготовлено из материала, подобного используемому в бытовых герметиках – из отверждаемой ультрафиолетом эпоксидной смолы, стойкой к проникновению газов. Установка имеет два основных канала, соединенных множеством узких пор, которые содержат коллоидную суспензию (рис. 1 b, c).
Рис. 1. Движение коллоидных частиц при воздействии газа
На рис. 1 обозначено:
a) экспериментальная установка для создания столба жидкости со стабильной границей раздела газ-жидкость;
b) «поле осветления»;
c) флуоресцентная микроскопия заполненных взвесью каналов, подвергнутой воздействию газа; длина, ширина и высота канала составляет 2L=800 мкм, 60 и 40 мкм соответственно;
d) для сравнения – частицы (полистирол, диаметр 0,5 мкм) при воздействии N2;
e, f) направленное движение частиц с отрицательным (полистирол, диаметр 0,5 мкм), (e), и положительным (амино-функционализированный полистирол, диаметр 1 мкм), (f), поверхностным зарядом при обработке CO2;
g, h) макрофото повышения концентрации отрицательно заряженных (g) и положительно заряженных частиц (h) вблизи границы раздела газ-жидкость во время воздействия CO2.
При воздействии газа CO2 (давление 136 кПа) отрицательно заряженные частицы немедленно мигрируют подальше от двух границ раздела газжидкость (рис. 1 e, g). В отличие от этого (рис. 1 d), заметного движения этих частиц, кроме броуновского, при обработке газообразным азотом N2 (136 кПа) не наблюдается. Зафиксированная миграция частиц в основном вызвана диффузионным потенциалом из-за ионов H+. Это подтверждается экспериментами и с положительно заряженными частицами, которые мигрируют к границам раздела газ-жидкость при воздействии CO2, образуя облака частиц вблизи этих границ (рис. 1 f, h).
Изменение концентрации частиц при воздействии газа, ответственного за разделение, было подтверждено наблюдением реакции жидкостных колонок, заполненных раствором индикатора pH, см. рис. 2. Когда вода подвергается воздействию CO2 при давлении 136 кПа, интенсивность флуоресценции индикатора сразу же уменьшается вблизи границ раздела газ-жидкость, а затем снижающаяся интенсивность распространяется к середине колонки, т. е. pH уменьшается от границ раздела внутрь столба (см. рис. 2 а), Высокая интенсивность, видимая вблизи границы раздела газ-жидкость, обусловлена кривизной мениска. В отличие от CO2, воздействие азотом N2 при одном и том же давлении (136 кПа) не вызывает пространственных изменений интенсивности флуоресценции, и происходит только постепенное уменьшение интенсивности флуоресценции из-за эффекта фотообесцвечивания (см рис. 2 b).
Рис. 2. Изменение pH в воде при воздействии углекислого газа и азота
Распределение интенсивности флуоресценции (рис. 2 c) I-Imin исследовалось для учета фотообесцвечивания вдоль центра канала, показанного на a), где Imin – минимальная интенсивность свечения в канале. Расчетное распределение pH в воде, подвергшейся воздействию CO2, при 136 кПа, показано на рис. 2, d).
Скорость разделения контаминантов оказалась достаточно высокой. Когда pH уменьшается с 5,6 (pH воды в равновесии с атмосферной концентрацией CO2 при 40 кПа) до 3,8 (при 136 кПа), внутри колонны за 30 с наблюдается почти 100-кратная разница в концентрациях ионов.
Химический градиент, вызванный растворением СО2, вызывает миграцию частиц из-за явления диффузиофореза. Математическое моделирование диффузиофоретической скорости частиц из-за растворения CO2 хорошо согласуется с экспериментальными наблюдениями как для отрицательно, так и для положительно заряженных частиц. Из расчетов при других условиях, чем были созданы в данных экспериментах, отмечается, что минимальное давление СО2, необходимое для создания заметного движения частиц, намного ниже, чем 136 кПа, но оно должно быть несколько выше, чем атмосферное парциальное давление СО2 при данной температуре.
Исследования показывают, что «углекислотный» метод фильтрации воды требует всего 0,1% затрат энергии по сравнению с обычными методами фильтрации, т. е. энергии потребляется в 1000 раз меньше обычного. Новый способ также может быть использован для удаления бактерий и вирусов без хлорирования или ультрафиолетовой обработки воды и применяться как для очистки питьевой воды, так и для сточных вод, в том числе промышленных стоков. Ожидается, что метод, использующий CO2, может быть применен в различных отраслях промышленности, например, горнодобывающая промышленность, производство продуктов питания и напитков, фармацевтическое производство и очистка питьевой воды и стоков в коммунальном хозяйстве.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 3 450
