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量子級聯激光（QCL）技術用于廢水處理工藝優化
位于德克薩斯州達拉斯的紅外傳感器技術公司Max-IRLabs近期宣布獲得美國國家科學基金會（NationalScienceFoundation）頒發的第二階段小型企業創新研究（SBIR）基金75萬美元（NSF），用于開發基于量子級聯激光（QCL）光源的氨氮傳感器，以實時監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）技術及傳感器的開發，并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所開發的基于QCL的傳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美國市政廢水處理行業節省6億美元的電能。”更具體地說，對于一個典型的廢水處理廠，每年平均可節省的經濟價值估計約為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，以及該技術如何幫助優化水處理工藝。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傳輸，而不是在水中傳輸，從而實現消逝波全反射傳輸機（attenuated totalre flection, ATR）。
紅外吸收光譜技術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開發中的氨氮傳感器有望實現高動態范圍的靈敏度（0.1ppm~250ppm），也可以用于監測污水中的磷和其他有機污染物。未來也可能會用于監測農業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，其所開發的平臺技術也可以拓展到類似的傳感器，如監測全氟和多氟烷基物質（PFAS），以及生物危害例如大腸桿菌。