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量子級(jí)聯(lián)激光（QCL）技術(shù)用于廢水處理工藝優(yōu)化
位于德克薩斯州達(dá)拉斯的紅外傳感器技術(shù)公司Max-IRLabs近期宣布獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NationalScienceFoundation）頒發(fā)的第二階段小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）基金75萬(wàn)美元（NSF），用于開發(fā)基于量子級(jí)聯(lián)激光（QCL）光源的氨氮傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(lái)源：pixabay
此項(xiàng)基金將使Max-IR的ISMIR™（IonSelectiveMaterialsusingInfraredRadiation，基于紅外光譜的的離子分析）技術(shù)及傳感器的開發(fā)，并在市政廢水處理設(shè)施中啟動(dòng)第一階段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
曝氣是任何廢水處理過(guò)程中*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(jī)體在好氧條件下，對(duì)氨氮污染物進(jìn)行生物降解的過(guò)程。但是，曝氣步驟實(shí)際上是一個(gè)耗能的過(guò)程，根據(jù)Max-IR的說(shuō)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(dòng)化的傳感器，以實(shí)現(xiàn)在線過(guò)程控制、提高能效并降低運(yùn)營(yíng)成本。
此項(xiàng)目的總體目標(biāo)是為廢水處理過(guò)程控制和自動(dòng)化提供在線傳感器，Max-IR所開發(fā)的基于QCL的傳感器能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量硝酸鹽和氨的濃度，對(duì)曝氣過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。Max-IR表示，“這項(xiàng)技術(shù)每年可能為美國(guó)市政廢水處理行業(yè)節(jié)省6億美元的電能。”更具體地說(shuō)，對(duì)于一個(gè)典型的廢水處理廠，每年平均可節(jié)省的經(jīng)濟(jì)價(jià)值估計(jì)約為20萬(wàn)美元，投資回收期可能僅為6個(gè)月。
在2020的SPIEBiOS研討會(huì)上，Max-IR公司概述了ISMIR™技術(shù)，以及該技術(shù)如何幫助優(yōu)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(duì)中紅外輻射的強(qiáng)吸收。為了克服這個(gè)問(wèn)題，QCL輸出的紅外激光通過(guò)與水接觸的波導(dǎo)傳輸，而不是在水中傳輸，從而實(shí)現(xiàn)消逝波全反射傳輸機(jī)（attenuated totalre flection, ATR）。
紅外吸收光譜技術(shù)廣泛用于分子基團(tuán)定性和定量的分析。QCL的引入減少了對(duì)振動(dòng)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(fā)中的氨氮傳感器有望實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的靈敏度（0.1ppm~250ppm），也可以用于監(jiān)測(cè)污水中的磷和其他有機(jī)污染物。未來(lái)也可能會(huì)用于監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)施肥徑流中的污染物水平——這是水體中最主要氨氮污染來(lái)源。Max-IR認(rèn)為，其所開發(fā)的平臺(tái)技術(shù)也可以拓展到類似的傳感器，如監(jiān)測(cè)全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS），以及生物危害例如大腸桿菌。