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量子級聯(lián)激光（QCL）技術(shù)用于廢水處理工藝優(yōu)化
位于德克薩斯州達拉斯的紅外傳感器技術(shù)公司Max-IRLabs近期宣布獲得美國國家科學基金會（NationalScienceFoundation）頒發(fā)的第二階段小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）基金75萬美元（NSF），用于開發(fā)基于量子級聯(lián)激光（QCL）光源的氨氮傳感器，以實時監(jiān)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(shù)及傳感器的開發(fā)，并在市政廢水處理設(shè)施中啟動第一階段現(xiàn)場測試。
曝氣是任何廢水處理過程中*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(jù)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(xiàn)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(fā)的基于QCL的傳感器能夠?qū)崟r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(shù)每年可能為美國市政廢水處理行業(yè)節(jié)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(jié)省的經(jīng)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(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(dǎo)傳輸，而不是在水中傳輸，從而實現(xiàn)消逝波全反射傳輸機（attenuated totalre flection, ATR）。
紅外吸收光譜技術(shù)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(fā)中的氨氮傳感器有望實現(xiàn)高動態(tài)范圍的靈敏度（0.1ppm~250ppm），也可以用于監(jiān)測污水中的磷和其他有機污染物。未來也可能會用于監(jiān)測農(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源。Max-IR認為，其所開發(fā)的平臺技術(shù)也可以拓展到類似的傳感器，如監(jiān)測全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS），以及生物危害例如大腸桿菌。