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设计一个微量污染物降解的微型废水处理厂

每天将微污染物添加到世界的湖泊，河流和溪流中。许多常规的废水处理厂没有能够从废水中清除这些潜在的危险化学残留物。位于法国巴黎的DeepTech公司Eden Tech正在使用多物理模拟来开发可以帮助解决这一新兴问题的设备。

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雷切尔·基特利（Rachel Keatley）
2021年10月

1985年动作冒险电视连续剧MacGyver®展示了安格斯·麦克吉武（Angus MacGyver）的生活，安格斯·麦吉弗（Angus MacGyver）是一位秘密特工，他使用手头上的物品解决了问题。例如，在一集中，他用二手冰箱零件制作了隔热罩。在另一个人中，他用糖果包装纸钓鱼。三十年后，该节目仍然具有相关性。动词MacGyver，以临时或创造性的方式设计东西，于2015年添加到牛津英语词典中。

尝试将MacGyver技能付诸实践：如果您被递给了一些CD，您会用它们做些什么？反光墙艺术，马赛克装饰品或风声？小型水处理厂呢？

这是一支工程师和研究人员在Eden Tech的工作，这是一家专门从事微流体技术开发的公司。在他们的研发部门伊甸园清洁技术公司（Eden Cleantech）中，他们正在开发一种紧凑的节能水处理系统，以帮助解决废水中微污染物的日益增长。为了分析其Akvo系统的性能（以拉丁语为for Water命名，水），这是由CD制成的，Eden Tech转向多物理模拟。

新兴关注的污染物

伊甸科技（Eden Tech）高级化学工程师兼首席产品官Wei Zhao说：“微污染物将其制成废水。”全世界废水中这些微观化学物质的兴起是人类活动的结果。例如，当我们用肥皂洗手，用清洁用品擦拭水槽，或从体内冲洗药物时，将各种化学物质洗净排水管，最终被污水处理系统。其中一些化学物质被归类为微污染物或新兴关注的污染物（CEC）。除了家庭废物之外，农业污染和工业废物也应归咎于我们水道中的微污染物的兴起。

不幸的是，许多常规的废水处理厂（WWTP，图1）并非旨在去除这些污染物。因此，通常将它们重新引入各种水体，包括河流，溪流，湖泊，甚至饮用水。尽管他们对人类和环境健康的风险尚未完全理解，但在世界水域中发现的污染数量越来越多。

考虑到这个日益增长的问题，伊甸技术公司必须努力开发解决方案，因此Akvo诞生了。每个Akvo CD核心的设计均直径为15 cm，厚度为2 mm。一个Akvo墨盒由堆叠的CD组成，数量有不同，共同创建了一个小型工厂。一个Akvo核心对0.5至2 m处理³水/天，这意味着由10,000个CD组成的AKVO系统可以满足平均市政需求。这就提出了一个问题：CD制成的设备如何净化水？

一种可持续的废水处理方法

一个单个AKVO系统（图2）由一个可自定义的墨盒组成，该墨盒装有堆叠的CD，每个CD上都刻有微通道网络。它通过在其微通道网络中循环水来清除废水中的不良元素。这些网络非常精通能量，因为它们仅需要一个小泵即可循环和清洁大量的水。Akvo System的墨盒可以很容易地被替换，伊甸园技术人员会照顾他们的回收利用。

Akvo的革命设计将光催化和微流体化合物结合在一起，成为一个紧凑的系统。光催化是一种晚期氧化过程（AOP），是从废水中去除微污染物的快速有效方法。与其他AOP相比，它被认为是更安全，更可持续的，因为它由光源提供动力。在光催化过程中，光催化剂吸收了具有创建电子孔对的光催化剂，从而产生了自由的羟基自由基，这些羟基自由基能够与靶污染物反应并降解它们。以前从未完成光催化和微流体治疗废水处理的组合。赵说：“这是一个非常雄心勃勃的项目。”“我们想开发一种创新的方法，以提供一种环保，高效的处理废水的方法。”Akvo目前的设计并不容易，因为Zhao和他的团队在此过程中面临着一些设计挑战。

克服设计挑战

使用时，通过Akvo的微通道壁分散化学剂（催化剂）和废水。在这种情况下，催化剂的目的是二氧化钛，是与微污染物反应，并在此过程中有助于去除它们。但是，Akvo的快速流速使这一动作复杂化。Zhao说：“最大的问题是[Akvo]具有具有快速流速的微通道，有时，当我们将化学剂放入其中一个通道的墙壁内时，废水中的微污染物无法与该剂有效反应。”为了增加微污染物与固定化学剂之间的接触机会，Zhao和他的团队选择为Akvo的微通道网络使用交错的人字形微晶（SHM）设计（图3）。

为了分析SHM设计的性能以支持微污染物降解的化学反应，Zhao使用了comsol多物理学^®软件。

模拟微污染物降解的化学反应

赵在他的工作中建立了两种不同的型号^®（图4），命名为显式表面吸附（ESA）模型和转换的表面浓度（CSC）模型。这两种模型都考虑了化学和流体现象。

在这两种模型中，赵都发现，Akvo的SHM结构在流动的流动中产生涡旋，从而使微污染物和化学剂具有更长的反应周期，并增强了每个流体层之间的传质。但是，ESA模型的结果表明，该设计在处理中纯化了约50％的微污染物，少于Zhao的预期。

与CSC模型中的ESA模型（图5）不同，假定没有吸附限制。因此，只要微污染物到达催化剂的表面，就会发生反应，这已经在现有文献中进行了讨论（参考文献1）。在该模型中，Zhao分析了如何对六种不同微污染物的降解的设计，包括吉菲贝罗齐，环丙沙星，卡马西平，氯菲酸，双酚A和乙酰氨基酚（图6）。该模型的结果与Zhao预期的结果一致，其中95％以上的微污染物正在处理。

“我们对Comsol多物理学的结果感到非常满意^®。我的下一步将重点放在[AKVO原型]实验室测试上。我们希望在2022年初之前准备第一台原型。”赵说。该原型最终将在法国南部的医院和水处理站进行测试。

使用该项目的模拟帮助伊甸科技团队节省了时间和金钱。开发像Akvo这样的微流体系统的原型是昂贵的。为了在AKVO的每个4英寸CD上印刷微通道网络，需要一个微通道光掩码。根据Zhao的说法，制造一份光罩的价格约为3000欧元（3500美元）。因此，非常重要的是，他们有信心在制造其制造之前就可以工作。“ comsol多物理学^®确实帮助我们验证了模型和设计。”赵说。

微污染物治疗的先驱

2016年，瑞士提出了法律规定，废水处理厂从废水中删除了微污染物。他们的目标？在超过100个瑞士WWTPS上过滤超过80％的微污染物。在他们的领导之后，许多其他国家目前正在思考如何应对水道中这些污染物的日益增长的存在。Akvo有可能提供一种紧凑，环保的方式来帮助减慢这一持续的问题。

下次您去扔掉一张旧CD或其他任何家居用品时，请问自己：MacGyver会做什么？或者，更好的是：伊甸技术会做什么？您可能会持有其下一个创新设计的基础。

参考

1. C. S. Turchi，D。F。Ollis，“有机水污染物的光催化降解：涉及羟基自由基攻击的机制”，”催化杂志，卷。122，p。178，1990。

MacGyver是CBS Studios Inc.的注册商标。COMSOLAB及其子公司和产品与CBS Studios Inc.的认可，赞助或支持。乐动体育app无法登录