Combinando ultrasonidos con otras tecnologías de tratamiento de agua

Combinando ultrasonidos con otras tecnologías de tratamiento de agua

1. Ultrasonido: tecnología tradicional de tratamiento de agua

El ultrasonido genera poderosas fuerzas de corte y efectos de cavitación, destruyendo eficazmente los contaminantes del agua, como iones de metales pesados, materia orgánica y nutrientes como nitrógeno y fósforo. Combinar esto con métodos tradicionales de tratamiento de agua, como coagulación, sedimentación y filtración, puede mejorar aún más la eficiencia del tratamiento del agua. Por ejemplo, las aguas residuales petroquímicas contienen grandes cantidades de materia orgánica y sustancias tóxicas, lo que plantea graves riesgos para el medio ambiente y la salud humana. La tecnología de ultrasonido puede eliminar eficazmente estas sustancias orgánicas y tóxicas de las aguas residuales petroquímicas mediante los efectos sinérgicos de efectos fisicoquímicos y biológicos, logrando un tratamiento eficaz. Las aguas residuales de tintura contienen grandes cantidades de colorantes y auxiliares, lo que dificulta su tratamiento. Los métodos tradicionales de tratamiento de agua sólo pueden eliminar contaminantes simples de las aguas residuales. La tecnología de ultrasonido puede alterar la estructura química de tintes y auxiliares, promoviendo su agregación y precipitación. El ultrasonido también activa el oxígeno disuelto en el agua, generando fuertes oxidantes como los radicales hidroxilo, que degradan aún más los contaminantes orgánicos. Wu et al. trató aguas residuales de uranio radiactivo mediante un proceso combinado optimizado de ultrasonido-floculación-precipitación. Encontraron un efecto sinérgico significativo entre el ultrasonido y la dosis de floculante, logrando una tasa de eliminación de iones de uranio del 95,4%.

2. Tecnología de membrana de ultrasonido

La tecnología de membranas desempeña un papel vital en el tratamiento del agua potable, pero la contaminación de las membranas es un problema clave al que se enfrenta el tratamiento con membranas. Las investigaciones han demostrado que las vibraciones mecánicas, la transmisión acústica y la cavitación acústica generadas por el ultrasonido no solo mejoran la capacidad de separación de la membrana sino que también limpian eficazmente la superficie de la membrana, inhibiendo la polarización de concentración y la contaminación de la membrana, mejorando así el flujo de la membrana hasta cierto punto. Además, como forma de energía, la propagación de ultrasonidos en una solución puede provocar una compresión y expansión periódica de la solución, generando microvibraciones en el agua. Si bien la amplitud es pequeña, la aceleración es alta, favoreciendo el proceso de separación de la membrana. Muthukumaran et al. creen que existen cuatro mecanismos de mejora en el proceso de separación de membranas mejorado por ultrasonido: 1) Las ondas acústicas pueden aglomerar partículas ultrafinas, reduciendo la adsorción de solutos de la membrana y la obstrucción de los poros, inhibiendo así la contaminación de la membrana; 2) El ultrasonido puede proporcionar suficiente energía de vibración mecánica para alejar algunas partículas suspendidas en la solución de la superficie de la membrana, evitando la deposición de partículas, mitigando eficazmente la polarización de la concentración y la formación de una capa de torta de filtración, y reduciendo significativamente la resistencia de la capa límite y la resistencia de la torta de filtración; 3) Los microfluidos generados por ultrasonido pueden romper la capa de gel y la capa de torta de filtración formada en la superficie de la membrana, dispersándolas en el líquido; 4) La turbulencia macroscópica causada por microchorros, ondas de choque y pulsos acústicos puede mejorar la difusión dentro del flujo turbulento principal y también inducir turbulencia local en la capa límite. Esta turbulencia local transforma la difusión molecular en la capa límite en difusión en remolino, lo que en última instancia mejora la transferencia de masa convectiva entre el material y la interfaz.

3. Tecnología ultrasónica-ozono

Actualmente, se han realizado extensas investigaciones sobre la tecnología de ozono ultrasónico. El ozono puede generar radicales libres de oxígeno químicamente activos bajo la acción de los ultrasonidos. Estos radicales libres pueden combinarse con el ozono para generar oxígeno o reaccionar con el agua para generar especies oxidantes fuertes como ·OH y ·H2O2 (Fórmulas (1) a (4)), promoviendo así la descomposición del ozono y mejorando la eficiencia de la reacción. La investigación de Helfred et al. [11] demostraron que el ultrasonido puede triturar las burbujas que contienen ozono en 'microburbujas'. El área de superficie específica de las 'microburbujas' es de 101 a 104 veces mayor que la de las burbujas ordinarias, lo que aumenta el área de contacto entre el ozono y el agua y acelera la velocidad de disolución del ozono en el agua. Ziylani-Yavas et al. [12] estudiaron el método ultrasónico-ozono para el tratamiento del paracetamol. Los resultados mostraron que la tecnología combinada mejoró la producción de especies oxidantes y mejoró la tasa de mineralización de contaminantes.

4. Tecnología fotocatalítica ultrasónica

La tecnología fotocatalítica se refiere a una tecnología que utiliza la capacidad redox de los fotocatalizadores bajo luz para purificar contaminantes y sustancias sintéticas. La tecnología fotocatalítica es muy popular debido a sus suaves condiciones de reacción y sus amplios campos de aplicación. La combinación de ultrasonido y tecnología fotocatalítica puede descomponer sustancias hidrófobas y ampliar la ruta de transferencia de los huecos de electrones fotogenerados. Los resultados de la investigación de Hamdaoui et al. [13] demostraron que, en las mismas condiciones, la combinación de radiación ultrasónica y un proceso fotoquímico conducía a un aumento en la tasa de mineralización del clorofenol en comparación con el uso de tecnologías de tratamiento separadas. Esto significa que existe un gran efecto sinérgico entre los tres procesos de oxidación de acción fotoquímica directa, sonoquímica de alta frecuencia y reacción de ozono generada por la radiación ultravioleta del aire. Los factores que afectan el tratamiento ultrasónico de los recursos hídricos incluyen principalmente los parámetros de uso del ultrasonido, como la frecuencia, la potencia y la intensidad del sonido, así como los parámetros físicos y químicos de las aguas residuales a tratar, como la temperatura, las partículas y las propiedades contaminantes. Además, el proceso de tratamiento ultrasónico también se ve afectado por factores como la intensidad de la potencia ultrasónica. Durante el proceso de degradación, la velocidad de reacción no es constante. En términos generales, cuanto mayor sea la intensidad de la potencia ultrasónica, más rápida será la velocidad de reacción. Como tecnología respetuosa con el medio ambiente, el ultrasonido muestra un gran potencial de aplicación en la futura industria del tratamiento de agua.

Aunque esta tecnología ha logrado ciertos resultados de investigación, es necesario resolver aún más los problemas del alto consumo de energía y la baja reducción de la eficiencia cuando se usa sola. Por ejemplo, cómo optimizar la estructura y el rendimiento de los equipos ultrasónicos para mejorar su estabilidad y eficiencia, cómo realizar una investigación en profundidad sobre el mecanismo del ultrasonido para lograr su aplicación eficiente, segura y respetuosa con el medio ambiente, y cómo desarrollar nuevos procesos de tratamiento ultrasónico para adaptarse a diferentes tipos de condiciones de calidad del agua y aguas residuales y reducir el consumo de energía ultrasónica. Romper los cuellos de botella y superar las barreras basándose en la investigación existente nos ayudará a adaptarnos a los siempre cambiantes problemas de calidad del agua.