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量子級聯激光(QCL)技術用于廢水處理工藝優化

點擊次數:293 發布時間:2021-06-12

    位于德克薩斯州達拉斯的紅外傳感器技術公司Max-IRLabs近期宣布獲得美國國家科學基金會(NationalScienceFoundation)頒發的第二階段小型企業創新研究(SBIR)基金75萬美元(NSF),用于開發基于量子級聯激光(QCL)光源的氨氮傳感器,以實時監測市政廢水中的氨氮污染物,包括硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨。

圖一:污水處理廠|圖片來源:pixabay

    此項基金將使Max-IR的ISMIR™(IonSelectiveMaterialsusingInfraredRadiation,基于紅外光譜的的離子分析)技術及傳感器的開發,并在市政廢水處理設施中啟動第一階段現場測試。

    曝氣是任何廢水處理過程中不可或缺的工藝。曝氣是指向廢水中添加空氣,以使天然存在的生物有機體在好氧條件下,對氨氮污染物進行生物降解的過程。但是,曝氣步驟實際上是一個耗能的過程,根據Max-IR的說法,它要消耗典型廢水處理廠一半以上的電能。因此,廢水處理廠迫切需要自動化的傳感器,以實現在線過程控制、提高能效并降低運營成本。

    此項目的總體目標是為廢水處理過程控制和自動化提供在線傳感器,Max-IR所開發的基于QCL的傳感器能夠實時測量硝酸鹽和氨的濃度,對曝氣過程進行實時反饋。Max-IR表示,“這項技術每年可能為美國市政廢水處理行業節省6億美元的電能。”更具體地說,對于一個典型的廢水處理廠,每年平均可節省的經濟價值估計約為20萬美元,投資回收期可能僅為6個月。

    在2020的SPIEBiOS研討會上,Max-IR公司概述了ISMIR™技術,以及該技術如何幫助優化水處理工藝。用于廢水處理的傳感器面臨的最大困難是水對中紅外輻射的強吸收。為了克服這個問題,QCL輸出的紅外激光通過與水接觸的波導傳輸,而不是在水中傳輸,從而實現消逝波全反射傳輸機(attenuated totalre flection, ATR)。

    紅外吸收光譜技術廣泛用于分子基團定性和定量的分析。QCL的引入減少了對振動敏感的笨重的傅立葉變換紅外(FT-IR)光譜儀的依賴,使多功能便攜式分子分析儀器成為可能。

    Max-IR開發中的氨氮傳感器有望實現高動態范圍的靈敏度(0.1ppm~250ppm),也可以用于監測污水中的磷和其他有機污染物。未來也可能會用于監測農業施肥徑流中的污染物水平——這是水體中最主要氨氮污染來源。Max-IR認為,其所開發的平臺技術也可以拓展到類似的傳感器,如監測全氟和多氟烷基物質(PFAS),以及生物危害例如大腸桿菌。

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