量子級聯激光（QCL）技術用於廢水處理工藝優化

    位於(yu) 德克薩斯州達拉斯的紅外傳(chuan) 感器技術公司Max-IRLabs近期宣布獲得美國國家科學基金會(hui) （NationalScienceFoundation）頒發的第二階段小型企業(ye) 創新研究（SBIR）基金75萬(wan) 美元（NSF），用於(yu) 開發基於(yu) 量子級聯激光（QCL）光源的氨氮傳(chuan) 感器，以實時監測市政廢水中的氨氮汙染物，包括硝酸鹽、亞(ya) 硝酸鹽和氨。

圖一：汙水處理廠|圖片來源：pixabay

    此項基金將使Max-IR的ISMIR™（IonSelectiveMaterialsusingInfraredRadiation，基於(yu) 紅外光譜的的離子分析）技術及傳(chuan) 感器的開發，並在市政廢水處理設施中啟動第一階段現場測試。

    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(ti) 在好氧條件下，對氨氮汙染物進行生物降解的過程。但是，曝氣步驟實際上是一個(ge) 耗能的過程，根據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(chuan) 感器，以實現在線過程控製、提高能效並降低運營成本。

    此項目的總體(ti) 目標是為(wei) 廢水處理過程控製和自動化提供在線傳(chuan) 感器，Max-IR所開發的基於(yu) QCL的傳(chuan) 感器能夠實時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，“這項技術每年可能為(wei) 美國市政廢水處理行業(ye) 節省6億(yi) 美元的電能。”更具體(ti) 地說，對於(yu) 一個(ge) 典型的廢水處理廠，每年平均可節省的經濟價(jia) 值估計約為(wei) 20萬(wan) 美元，投資回收期可能僅(jin) 為(wei) 6個(ge) 月。

    在2020的SPIEBioses研討會(hui) 上，Max-IR公司概述了ISMIR™技術，以及該技術如何幫助優(you) 化水處理工藝。用於(yu) 廢水處理的傳(chuan) 感器麵臨(lin) 的最大困難是水對中紅外輻射的強吸收。為(wei) 了克服這個(ge) 問題，QCL輸出的紅外激光通過與(yu) 水接觸的波導傳(chuan) 輸，而不是在水中傳(chuan) 輸，從(cong) 而實現消逝波全反射傳(chuan) 輸機（attenuated totalre flection, ATR）。

    紅外吸收光譜技術廣泛用於(yu) 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(yi) 的依賴，使多功能便攜式分子米兰app下载苹果手机版官网器成為(wei) 可能。

    Max-IR開發中的氨氮傳(chuan) 感器有望實現高動態範圍的靈敏度（0.1ppm~250ppm），也可以用於(yu) 監測汙水中的磷和其他有機汙染物。未來也可能會(hui) 用於(yu) 監測農(nong) 業(ye) 施肥徑流中的汙染物水平——這是水體(ti) 中最主要氨氮汙染來源。Max-IR認為(wei) ，其所開發的平台技術也可以拓展到類似的傳(chuan) 感器，如監測全氟和多氟烷基物質（PFAS），以及生物危害例如大腸杆菌。