Eden Tech’te Minyatür Su Arıtma Tesisi Tasarlamak


Bu sponsorlu makale size tarafından getirildi KOMBOL.

1985 aksiyon-macera TV dizisi MacGyver elindeki eşyaları kullanarak sorunları çözen gizli bir ajan olan Angus MacGyver’in hayatını sergiledi. Örneğin bir bölümde kullanılmış buzdolabı parçalarından bir ısı kalkanı yaptı. Bir diğerinde, şeker ambalajıyla balık yemi yaptı. Otuz yılı aşkın bir süre sonra, gösteri hala geçerliliğini koruyor. Fiil MacGyverderme çatma veya yaratıcı bir şekilde bir şeyler tasarlamak için , 2015 yılında Oxford İngilizce Sözlüğü’ne eklendi.

MacGyver becerilerinizi test etmeyi deneyin: Size bazı CD’ler verilseydi, onlardan ne yapardınız? Yansıtıcı duvar sanatı, mozaik süslemeler veya belki bir rüzgar çanı? Minyatür bir su arıtma tesisi ne olacak?

Mikroakışkan teknolojisinin geliştirilmesinde uzmanlaşmış, Paris, Fransa merkezli bir şirket olan Eden Tech’te bir mühendis ve araştırmacı ekibinin yaptığı şey budur. Ar-Ge departmanları Eden Cleantech bünyesinde, atık sularda artan mikro kirletici varlığının üstesinden gelmeye yardımcı olmak için kompakt, enerji tasarruflu bir su arıtma sistemi geliştiriyorlar. AKVO sistemlerinin performansını analiz etmek için (adını Latince su kelimesinden almıştır, su), CD’lerden yapılan Eden Tech, çoklu fizik simülasyonuna yöneldi.

Yeni Ortaya Çıkan Kirleticiler

Eden Tech’te kıdemli bir kimya mühendisi ve baş ürün sorumlusu olan Wei Zhao, “Mikro kirleticilerin atık suya dönüşmesinin birçok yolu var” diyor. Bu mikroskobik kimyasalların dünya çapındaki atık sulardaki yükselişi, günlük insan faaliyetlerinin bir sonucudur. Örneğin, ellerimizi sabunla yıkadığımızda, temizlik malzemeleriyle lavabolarımızı sildiğimizde veya vücudumuzdaki ilaçları boşalttığımızda, çeşitli kimyasallar kanalizasyona akar ve sonunda kanalizasyona karışır. Bu kimyasallardan bazıları mikro kirleticiler veya yeni ortaya çıkan endişe verici kirleticiler (CEC’ler) olarak sınıflandırılır. Evsel atıklara ek olarak, tarımsal kirlilik ve endüstriyel atıklar da su yollarımızdaki mikro kirleticilerin artmasından sorumludur.

Her gün dünyadaki göllere, nehirlere ve akarsulara mikro kirleticiler eklenmektedir. Birçok geleneksel atık su arıtma tesisi, bu potansiyel olarak tehlikeli kimyasal kalıntıları atık sudan uzaklaştıracak donanıma sahip değildir.

Ne yazık ki, birçok geleneksel atık su arıtma tesisi (AAT, Şekil 1) bu kirleticileri gidermek için tasarlanmamıştır. Bu nedenle, genellikle nehirler, akarsular, göller ve hatta içme suyu dahil olmak üzere çeşitli su kütlelerine yeniden verilirler. İnsan ve çevre sağlığı için oluşturdukları risk tam olarak anlaşılamamış olsa da, dünyadaki su kütlelerinde artan sayıda bulunan kirlilik endişe vericidir.

Suyla dolu birden fazla tank ve kanala sahip, yukarıdan görülen bir atık su arıtma tesisi.

Şekil 1. Geleneksel su arıtma tesislerinin çoğu mikro kirleticileri gideremez.

Ivan Bandura / Unsplash

Eden Tech, büyüyen bu sorunu göz önünde bulundurarak bir çözüm geliştirmek için çalışmaya başladı ve böylece AKVO doğdu. Her bir AKVO CD çekirdeği 15 cm çapında ve 2 mm kalınlığında olacak şekilde tasarlanmıştır. Bir AKVO kartuşu, minyatür bir fabrika oluşturmak için bir araya getirilen, değişen sayıda istiflenmiş CD’lerden oluşur. Bir AKVO çekirdeği günde 0,5 ila 2 m3 su arıtır, bu da 10.000 CD’den oluşan bir AKVO sisteminin ortalama belediye ihtiyaçlarını karşılayabileceği anlamına gelir. Bu şu soruyu gündeme getiriyor: CD’lerden yapılan bir cihaz suyu nasıl arındırabilir?

Sürdürülebilir Bir Atıksu Arıtma Yöntemi

Tek bir AKVO sistemi (Şekil 2), her biri üzerinde yazılı bir mikro kanal ağı bulunan istiflenmiş CD’lerle dolu özelleştirilebilir bir kartuştan oluşur. Mikrokanal ağlarında suyu sirküle ederek atık sudaki mikro kirleticiler gibi istenmeyen elementleri giderir. Bu ağlar enerji tasarrufu sağlar, çünkü büyük hacimlerde suyu sirküle etmek ve temizlemek için yalnızca küçük bir pompaya ihtiyaç duyarlar. AKVO sisteminin kartuşları, Eden Tech’in geri dönüşümüyle ilgilenerek kolayca değiştirilebilir.

Bir yığın CD ile doldurulmuş şeffaf bir silindirden oluşan AKVO cihazı.

Şekil 2. Tüm bileşenleri etiketlenmiş AKVO.

AKVO’nun devrim niteliğindeki tasarımı, fotokataliz ve mikroakışkanları tek bir kompakt sistemde birleştirir. Bir tür gelişmiş oksidasyon prosesi (AOP) olan fotokataliz, mikro kirleticileri atık sudan uzaklaştırmanın hızlı ve etkili bir yoludur. Diğer AOP’lerle karşılaştırıldığında, bir ışık kaynağıyla çalıştırıldığı için daha güvenli ve daha sürdürülebilir kabul edilir. Fotokataliz sırasında ışık, hedef kirleticilerle reaksiyona girebilen ve onları parçalayabilen serbest hidroksil radikalleri üreten elektron-boşluk çiftleri oluşturma yeteneğine sahip fotokatalizörler tarafından emilir. Atık su arıtımı için fotokataliz ve mikroakışkanların kombinasyonu daha önce hiç yapılmamıştı. Zhao, “Bu çok iddialı bir proje” dedi. “Atık suyu arıtmak için çevre dostu, verimli bir yol sağlamak amacıyla yenilikçi bir yöntem geliştirmek istedik.” AKVO’nun mevcut tasarımı, Zhao ve ekibi yol boyunca birçok tasarım zorluğuyla karşı karşıya kaldığı için kolay olmadı.

Tasarım Zorluklarının Üstesinden Gelmek

Kullanım sırasında, bir kimyasal madde (katalizör) ve atık su AKVO’nun mikro kanal duvarlarından dağıtılır. Katalizörün amacı, bu durumda titanyum dioksit, mikro kirleticilerle reaksiyona girmek ve işlem sırasında bunların uzaklaştırılmasına yardımcı olmaktır. Ancak AKVO’nun hızlı akış hızı bu işlemi zorlaştırır. “En büyük sorun şu ki [AKVO] hızlı akış hızlarına sahip mikro kanallara sahiptir ve bazen kimyasal maddeyi kanalların duvarlarından birinin içine koyduğumuzda, atık sudaki mikro kirletici maddeler madde ile verimli bir şekilde reaksiyona giremez” dedi. Zhao ve ekibi, mikro kirleticiler ile hareketsizleştirilmiş kimyasal madde arasındaki temas olasılığını artırmak amacıyla, AKVO’nun mikro kanal ağları için kademeli bir balıksırtı mikromikser (SHM) tasarımı kullanmayı tercih etti (Şekil 3).

Zhao, mikro kirletici bozunmasına yönelik kimyasal reaksiyonları desteklemek amacıyla SHM tasarımının performansını analiz etmek için COMSOL Multiphysics yazılımını kullandı.

Mikrokirletici Parçalanması için Kimyasal Reaksiyonları Simüle Etmek

Çalışmasında Zhao, COMSOL Multiphysics’te (Şekil 4) Explicit Surface Adsorpsiyon (ESA) modeli ve Converted Surface Concentration (CSC) modeli olarak adlandırılan iki farklı model oluşturdu. Bu modellerin her ikisi de kimyasal ve sıvı olayları açıklar.

Her iki modelde de Zhao, AKVO’nun SHM yapısının içinden geçen akışta girdaplar oluşturduğunu, bunun da mikro kirleticilerin ve kimyasal maddenin daha uzun bir reaksiyon süresine sahip olmasını sağladığını ve her sıvı katmanı arasındaki kütle transferini artırdığını buldu. Bununla birlikte, ESA modelinin sonuçları, tasarımın arıtılan mikro kirleticilerin yaklaşık yüzde 50’sini, Zhao’nun beklediğinden daha azını saflaştırdığını gösterdi.

ESA modelinden farklı olarak (Şekil 5), CSC modelinde adsorpsiyon sınırlaması olmadığı varsayılmaktadır. Bu nedenle, bir mikro kirletici bir katalizörün yüzeyine ulaştığı sürece, mevcut literatürde tartışılan bir reaksiyon meydana gelir (Ref. 1). Bu modelde Zhao, tasarımın gemfibrozil, siprofloksasin, karbamazepin, klofibrik asit, bisfenol A ve asetaminofen dahil olmak üzere altı farklı mikro kirleticinin bozunmasında nasıl performans gösterdiğini analiz etti (Şekil 6). Bu modelin sonuçları, mikro kirleticilerin yüzde 95’inden fazlasının arıtılmasıyla Zhao’nun beklediğiyle uyumluydu.

“COMSOL Multiphysics’in sonuçlarından gerçekten memnunuz. Sonraki adımlarım laboratuvar testlerine odaklanacak [of the AKVO prototype]. Zhao, “İlk prototipimizi 2022’nin başında hazır hale getirmeyi bekliyoruz” dedi. Prototip sonunda Fransa’nın güneyindeki hastanelerde ve su arıtma istasyonlarında test edilecek.

Bu proje için simülasyon kullanmak, Eden Tech ekibinin zamandan ve paradan tasarruf etmesine yardımcı oldu. AKVO gibi bir mikroakışkan sistemin prototipini geliştirmek maliyetlidir. AKVO’nun CD’lerinin her birine mikro kanal ağlarını basmak için bir mikro kanal fotoğraf maskesi gerekir. Zhao’ya göre, bir fotomaske imal etmek yaklaşık 3000€’ya (3500 USD) mal olacak. Bu nedenle, sistemlerinin fabrikasyondan önce iyi çalıştığından emin olmaları çok önemlidir. Zhao, “COMSOL Multiphysics, modellerimizi ve tasarımlarımızı doğrulamamıza gerçekten yardımcı oldu” dedi.

Mikrokirleticilerin Arıtılmasında Öncü

2016 yılında İsviçre, atık su arıtma tesislerinin mikro kirleticileri atık sudan uzaklaştırmasını zorunlu kılan bir yasa çıkardı. Onların amacı? 100’den fazla İsviçre AAT’sinde mikro kirleticilerin yüzde 80’inden fazlasını filtreleyin. Onların izinden giden diğer birçok ülke, şu anda su yollarında artan bu kirleticilerle nasıl başa çıkmak istediklerini düşünüyor. AKVO, devam eden bu sorunu yavaşlatmaya yardımcı olacak kompakt, çevre dostu bir yol sağlama potansiyeline sahiptir.

Bir dahaki sefere eski bir CD’yi veya başka bir ev eşyasını atmaya gittiğinizde kendinize şunu sorun: MacGyver ne yapardı? Ya da daha iyisi: Eden Tech ne yapardı? Bir sonraki yenilikçi tasarımları için yapı taşlarını tutuyor olabilirsiniz.

Referans

  1. CS Turchi, DF Ollis, “Organik su kirleticilerinin fotokatalitik bozunması: Hidroksil radikal saldırısını içeren mekanizmalar” Kataliz Dergisi, Cilt 122, s. 178, 1990.

MacGyver, CBS Studios Inc.’in tescilli ticari markasıdır. COMSOL AB ve yan kuruluşları ve ürünleri, CBS Studios Inc. ile bağlantılı değildir, CBS Studios Inc.


Kaynak : https://spectrum.ieee.org/eden-tech-water-treatment

Yorum yapın

SMM Panel PDF Kitap indir