يتم تقديم هذه المقالة الدعائية إليك بواسطة COMSOL.
المسلسل التلفزيوني لعام 1985 والمغامرة والحركة ماكجيفر عرض حياة Angus MacGyver ، العميل السري الذي حل المشاكل باستخدام العناصر الموجودة لديه. على سبيل المثال ، في إحدى الحلقات ، صنع درعًا من الحرارة من أجزاء الثلاجة المستخدمة. وفي فيلم آخر ، صنع طعم صيد بعلبة حلوى. بعد أكثر من ثلاثة عقود ، لا يزال العرض ذا صلة. الفعل ماكجيفرلتصميم شيء ما بطريقة مؤقتة أو إبداعية ، تمت إضافته إلى قاموس أوكسفورد الإنجليزي في عام 2015.
حاول وضع مهاراتك في MacGyver على المحك: إذا تم تسليمك بعض الأقراص المدمجة ، فماذا ستفعل منها؟ فن جداري عاكس ، أو زخارف فسيفساء ، أو رنين ريح ، ربما؟ ماذا عن محطة معالجة المياه المصغرة؟
هذا ما يفعله فريق من المهندسين والباحثين في شركة Eden Tech ، وهي شركة مقرها في باريس ، فرنسا ، متخصصة في تطوير تقنية الموائع الدقيقة. داخل قسم البحث والتطوير ، Eden Cleantech ، يقومون بتطوير نظام معالجة مياه مدمج وموفر للطاقة للمساعدة في معالجة الوجود المتزايد للملوثات الدقيقة في مياه الصرف الصحي. لتحليل أداء نظام AKVO الخاص بهم (الذي سمي على اسم الكلمة اللاتينية للمياه ، أكوا) ، المصنوعة من الأقراص المضغوطة ، تحولت Eden Tech إلى محاكاة الفيزياء المتعددة.
الملوثات ذات الاهتمام الناشئ
“هناك العديد من الطرق التي تجعلها الملوثات الدقيقة تتحول إلى مياه صرف” ، كما يقول وي تشاو ، كبير المهندسين الكيميائيين ومسؤول المنتج الرئيسي في شركة Eden Tech. إن ظهور هذه المواد الكيميائية المجهرية في مياه الصرف في جميع أنحاء العالم هو نتيجة للأنشطة البشرية اليومية. على سبيل المثال ، عندما نغسل أيدينا بالصابون ، ونمسح أحواضنا بمواد التنظيف ، أو نطرد الأدوية من أجسادنا ، يتم غسل العديد من المواد الكيميائية في الصرف وينتهي بها الأمر في أنظمة الصرف الصحي. يتم تصنيف بعض هذه المواد الكيميائية على أنها ملوثات دقيقة ، أو ملوثات ذات أهمية ناشئة (CECs). بالإضافة إلى النفايات المنزلية ، فإن التلوث الزراعي والنفايات الصناعية هما المسؤولان عن ارتفاع الملوثات الدقيقة في مجارينا المائية.
تُضاف الملوثات الدقيقة إلى البحيرات والأنهار والجداول في العالم كل يوم. العديد من محطات معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية غير مجهزة لإزالة المخلفات الكيميائية الخطرة المحتملة من مياه الصرف الصحي.
لسوء الحظ ، لم يتم تصميم العديد من محطات معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية (محطات معالجة مياه الصرف الصحي ، الشكل 1) لإزالة هذه الملوثات. لذلك ، غالبًا ما يتم إعادة إدخالها إلى المسطحات المائية المختلفة ، بما في ذلك الأنهار والجداول والبحيرات وحتى مياه الشرب. على الرغم من أن المخاطر التي تشكلها على صحة الإنسان والبيئة ليست مفهومة تمامًا ، إلا أن العدد المتزايد من التلوث الموجود في المسطحات المائية في العالم أمر مثير للقلق.
الشكل 1. معظم محطات معالجة المياه التقليدية غير قادرة على إزالة الملوثات الدقيقة.
إيفان باندورا / أنسبلاش
مع تزايد هذه المشكلة في الاعتبار ، عملت Eden Tech على تطوير حل ، وهكذا ولدت AKVO. تم تصميم كل قلب AKVO CD ليكون بقطر 15 سم وسمك 2 مم. تتكون خرطوشة AKVO الواحدة من أقراص مضغوطة مكدسة بأرقام مختلفة ، مجتمعة لإنشاء مصنع مصغر. يعالج قلب واحد من AKVO 0.5 إلى 2 متر مكعب من المياه / اليوم ، مما يعني أن نظام AKVO المكون من 10000 قرص مضغوط يمكنه معالجة متوسط احتياجات البلدية. هذا يثير السؤال: كيف يمكن لجهاز مصنوع من الأقراص المدمجة تطهير المياه؟
طريقة معالجة مياه الصرف الصحي المستدامة
يتكون نظام AKVO الفردي (الشكل 2) من خرطوشة قابلة للتخصيص مليئة بأقراص مضغوطة مكدسة يحتوي كل منها على شبكة قناة صغيرة مدرجة عليها. يزيل العناصر غير المرغوب فيها في مياه الصرف الصحي ، مثل الملوثات الدقيقة ، عن طريق تدوير المياه في شبكات القنوات الصغيرة الخاصة بها. توفر هذه الشبكات الطاقة لأنها لا تتطلب سوى مضخة صغيرة لتدوير وتنظيف كميات كبيرة من المياه. يمكن استبدال خراطيش نظام AKVO بسهولة ، حيث تهتم Eden Tech بإعادة تدويرها.
الشكل 2. AKVO مع تسمية جميع مكوناته.
يجمع التصميم الثوري لـ AKVO بين التحفيز الضوئي والموائع الدقيقة في نظام واحد مضغوط. يعد التحفيز الضوئي ، وهو نوع من عمليات الأكسدة المتقدمة (AOP) ، طريقة سريعة وفعالة لإزالة الملوثات الدقيقة من مياه الصرف الصحي. بالمقارنة مع AOPs الأخرى ، فهي تعتبر أكثر أمانًا واستدامة لأنها مدعومة بمصدر ضوء. أثناء التحفيز الضوئي ، يتم امتصاص الضوء بواسطة المحفزات الضوئية التي لديها القدرة على تكوين أزواج من الثقوب الإلكترونية ، والتي تولد جذور هيدروكسيل حرة قادرة على التفاعل مع الملوثات المستهدفة وتحطيمها. لم يسبق أن تم الجمع بين التحفيز الضوئي والموائع الدقيقة لمعالجة مياه الصرف الصحي من قبل. قال تشاو: “إنه مشروع طموح للغاية”. “أردنا تطوير طريقة مبتكرة من أجل توفير طريقة صديقة للبيئة وفعالة لمعالجة مياه الصرف الصحي.” لم يكن تصميم AKVO الحالي سهلاً ، حيث واجه Zhao وفريقه العديد من تحديات التصميم على طول الطريق.
التغلب على تحديات التصميم
عند الاستخدام ، يتم تشتيت عامل كيميائي (محفز) ومياه الصرف من خلال جدران القناة الصغيرة لـ AKVO. الغرض من المحفز ، ثاني أكسيد التيتانيوم في هذه الحالة ، هو التفاعل مع الملوثات الدقيقة والمساعدة في إزالتها في هذه العملية. ومع ذلك ، فإن معدل التدفق السريع لـ AKVO يعقد هذا الإجراء. “المشكلة الكبرى هي [AKVO] قال تشاو: “لديه قنوات متناهية الصغر ذات معدلات تدفق سريعة ، وأحيانًا عندما نضع العامل الكيميائي داخل أحد جدران القنوات ، لا يمكن للملوثات الدقيقة في مياه الصرف أن تتفاعل بكفاءة مع العامل”. من أجل زيادة فرصة الاتصال بين الملوثات الدقيقة والعامل الكيميائي الثابت ، اختار تشاو وفريقه استخدام تصميم ميكسر متعرج متعرج (SHM) لشبكات القنوات الصغيرة التابعة لـ AKVO (الشكل 3).
لتحليل أداء تصميم SHM لدعم التفاعلات الكيميائية لتدهور الملوثات الدقيقة ، استخدم Zhao برنامج COMSOL Multiphysics.
محاكاة التفاعلات الكيميائية لتدهور الملوثات الدقيقة
في عمله ، بنى Zhao نموذجين مختلفين في COMSOL Multiphysics (الشكل 4) ، أطلق عليهما نموذج امتزاز السطح الصريح (ESA) ونموذج تركيز السطح المحول (CSC). كلا النموذجين يمثلان الظواهر الكيميائية والسوائل.
في كلا النموذجين ، وجد Zhao أن هيكل SHM الخاص بـ AKVO يخلق دوامات في التدفق المتحرك خلاله ، مما يتيح للملوثات الدقيقة والعامل الكيميائي فترة تفاعل أطول ويعزز انتقال الكتلة بين كل طبقة سائلة. ومع ذلك ، أظهرت نتائج نموذج ESA أن التصميم ينقي حوالي 50 في المائة من الملوثات الدقيقة قيد المعالجة ، أقل مما توقعه تشاو.
على عكس نموذج ESA (الشكل 5) ، في نموذج CSC ، يُفترض أنه لا يوجد قيود على الامتزاز. لذلك ، ما دامت الملوثات الدقيقة تصل إلى سطح المحفز ، وهو تفاعل تمت مناقشته في الأدبيات الموجودة (المرجع 1). في هذا النموذج ، حلل Zhao كيفية تنفيذ التصميم لتدهور ستة ملوثات دقيقة مختلفة ، بما في ذلك gemfibrozil و ciprofloxacin و carbamazepine و clofibric acid و bisphenol A و acetaminophen (الشكل 6). كانت نتائج هذا النموذج متوافقة مع ما توقعه تشاو ، حيث تمت معالجة أكثر من 95 بالمائة من الملوثات الدقيقة.
“نحن راضون حقًا عن نتائج COMSOL Multiphysics. ستركز خطواتي التالية على الاختبارات المعملية [of the AKVO prototype]. قال تشاو: “نتوقع أن يكون أول نموذج أولي لدينا جاهزًا بحلول بداية عام 2022”. سيتم اختبار النموذج الأولي في نهاية المطاف في المستشفيات ومحطات معالجة المياه في جنوب فرنسا.
ساعد استخدام المحاكاة لهذا المشروع فريق Eden Tech على توفير الوقت والمال. تطوير نموذج أولي لنظام ميكروفلويديك ، مثل AKVO ، مكلف. لطبع شبكات القنوات الصغيرة على كل من الأقراص المضغوطة الخاصة بـ AKVO ، هناك حاجة إلى قناع ضوئي ذو قناة متناهية الصغر. وفقًا لـ Zhao ، فإن تصنيع قناع صورة واحد سيكلف حوالي 3000 يورو (3500 دولار أمريكي). لذلك ، من المهم جدًا أن يكونوا واثقين من أن نظامهم يعمل جيدًا قبل تصنيعه. قال Zhao: “لقد ساعدتنا COMSOL Multiphysics حقًا في التحقق من صحة نماذجنا وتصاميمنا”.
رائد في علاج الملوثات الدقيقة
في عام 2016 ، قدمت سويسرا تشريعًا يلزم محطات معالجة مياه الصرف الصحي بإزالة الملوثات الدقيقة من مياه الصرف الصحي. هدفهم؟ تصفية أكثر من 80 بالمائة من الملوثات الدقيقة في أكثر من 100 محطة معالجة مياه الصرف الصحي السويسرية. على خطىهم ، تفكر العديد من البلدان الأخرى حاليًا في كيفية التعامل مع الوجود المتزايد لهذه الملوثات في مجاريها المائية. AKVO لديها القدرة على توفير وسيلة مدمجة وصديقة للبيئة للمساعدة في إبطاء هذه المشكلة المستمرة.
في المرة القادمة التي تذهب فيها إلى التخلص من قرص مضغوط قديم ، أو أي عنصر منزلي آخر لهذا الأمر ، اسأل نفسك: ماذا سيفعل MacGyver؟ أو الأفضل من ذلك: ماذا ستفعل Eden Tech؟ ربما كنت تحمل اللبنات الأساسية لتصميمها المبتكر التالي.
المرجعي
- CS Turchi ، DF Ollis ، “التحلل التحفيزي لملوثات المياه العضوية: الآليات التي تنطوي على هجوم جذري الهيدروكسيل ،” مجلة الحفز، المجلد. 122 ، ص. 178 ، 1990.
MacGyver هي علامة تجارية مسجلة لشركة CBS Studios Inc. ولا تنتمي COMSOL AB والشركات التابعة لها ومنتجاتها إلى CBS Studios Inc. أو تصادق عليها أو ترعاها أو تدعمها.
