Puhas vesi keemiliste lisandite vaba sono-elektrokoagulatsiooni abil

Elektrokoagulatsioon (EC) on elektrokeemiline protsess, mille käigus tekivad ohverdatavatest elektroodidest in situ koagulandiliigid (nt Fe(OH)x, Al(OH)x), mis seovad kolloide, emulsioone, metalle, värvaineid ja uusi saasteaineid. EC ühendamine võimsa ultraheliga – „sono-elektrokoagulatsioon“ (SEC) – intensiivistab massiülekannet, pärsib elektroodide passiveerumist ja kiirendab helveste teket väiksema erienergiakuluga. Keemiliste lisandite vaba sono-elektrokoagulatsiooniga töötlust saab teostada pidevvoolul Hielscheri sono-elektrokeemiliste reaktoritega, millele järgneb helveste gravitatsiooniline eraldamine ja selginud vee väljavõtt.

Miks ühendada ultraheli elektrokoagulatsiooniga? – Mehhanistlik alus

Hielscheri sono-elektroodidega teostatavas sono-elektrokoagulatsioonis toimib ultraheli sond samaaegselt elektrokoagulatsiooni elektroodina, ühendades võimsa ultraheli otseselt elektrokeemilise metalli lahustumisega. Suure intensiivsusega ultraheli (tavaliselt ~20 kHz) tekitab akustilist kavitatsiooni aktiivse elektroodi pinna vahetus läheduses. Kavitatsioonimullide korduv kasv ja äge kollaps tekitavad lokaliseeritud mikrojugasid, lööklaineid ja intensiivset mikrovoolu täpselt seal, kus elektrokeemilised reaktsioonid toimuvad.
See kooskõlastatud paiknemisega sonikeerimise ja elektrokeemia vastasmõju annab mitu olulist efekti:
(i) elektrokeemilise difusioonikihi pidev õhenemine, mis parandab oluliselt massiülekannet;
(ii) passiveerivate oksiid- ja hüdroksiidkilede aktiivne eemaldamine elektroodi pinnalt, mis hoiab ära ummistumise ja voolu languse; ning
(iii) elektrolüüdi pidev uuenemine elektroodi ja lahuse piirpinnal, mis säilitab ühtlase voolutiheduse ja stabiilse koagulandi tekke.
Seetõttu võimaldavad Hielscheri sono-elektroodid tõeliselt pidevat elektrokoagulatsiooni ilma passiveerumisest tingitud seisakuteta, paremat voolutõhusust ja ühtlasemat metallihüdroksiidi helveste in situ teket – ilma keemilisi koagulante lisamata.
Elektrokoagulatsiooni puhul väljenduvad need efektid järgmiselt:

• Passiveerumise tõrje: Kavitatsioon ja nihkejõud lõhuvad elektroodidel isoleerivaid oksiid- ja polümeerkilesid, säilitades aktiivse pindala ja stabiilsed oomilised pingelangud – seega „passiveerumisvaba“ töö.
• Suurem faasipiiri massiülekanne: Vähenenud piirikihid suurendavad metalli lahustumise ja koagulandi tekke kiirust antud voolutiheduse juures.
• Tõhustatud koagulatsioon ja flotatsioon: Ultraheli mikromullid ja peenemad H2O2 mullid (elektrolüüsist) soodustavad tuumumist, aglomeratsiooni ja hüdrofoobsete osakeste ning õlide ujuvuspõhist eraldumist.
• Väiksem ummistumine kontsentreeritud muda korral: Segamine vähendab kooriku kogunemist suure tahkisesisaldusega maatriksites, mis on tüüpilised mudaveele ja mõnele tööstuslikule heitveele.

Teaduslikud ülevaated dokumenteerivad järjekindlalt neid sonokeemilisi eeliseid ja nende ülekandumist sono-elektrokeemilistele reaktoritele.

Protsessi kulg: keemiliste lisandite vaba sono-elektrokeemiline töötlusliin

1. Sõelumine ja ühtlustamine: Eemaldage jämedad tahked osakesed; puhverdage vooluhulka ja koormusi.
2. (Valikuline) pH seadeväärtus: Elektrokoagulatsioon on tolerantne, kuid pH 6–8 maksimeerib sageli metallihüdroksiidi spetsiatsiooni ja saasteainete sidumist; äärmusliku pH-ga vood võivad vajada väikest korrigeerimist.
3. Sono-elektrokoagulatsioon läbivoolukambris: Pumbake reovesi läbi Hielscheri sono-elektrokeemilise reaktori, mis on varustatud võimsate ultraheli elektroodidega. Pidev ultraheli töötlus hoiab elektroodid aktiivsena – passiveerumisest tingitud seisakuid ei teki.
4. Faaside eraldamine: Järgnev selgitaja või settemahuti: metallihüdroksiidi helbed ja kapseldatud saasteained settivad (või ujuvad pinnale) ning eemaldatakse mudana; selgitatud vesi dekanteeritakse või pumbatakse puhta vee mahutisse. Gravitatsiooniline settimine/flotatsioon pärast kambrit on tavaliselt.
5. Lihvimine (vajaduse korral): Liiva-/UF-filtrid või aktiivsüsi jääkhägususe/orgaaniliste ainete eemaldamiseks; valikuline desinfitseerimine.

 

See video näitab elektroodi otsese ultrahelitöötluse positiivset mõju elektrivoolule. Kasutatakse Hielscheri ultrahelihomogenisaatorit UP100H (100 vatti, 30kHz), millel on elektrokeemiliste rakenduste lisavarustus ja titaanist elektrood/sonotrood. Lahjendatud väävelhappe elektrolüüsil tekivad gaasiline vesinik ja hapnik. Ultrahelitöötlus vähendab difusioonikihi paksust elektroodi pinnal ja parandab elektrolüüsi ajal massiülekannet.

 

Sono-elektroodid ja reaktorid: Hielscheri sono-elektrokeemilised läbivoolukambrid

Hielscher pakub suure võimsusega sondtüüpi muundureid ja in-line läbivoolureaktoreid, mis ühendavad ultraheli elektrokeemiliste rakkudega. Sonde saab konfigureerida elektroodidena või siduda spetsiaalsete EC-elektroodidega, mis võimaldab töökindlat, pidevat tööd tööstuslike vooluhulkade juures. Moodulpõhised läbivoolukambrid lihtsustavad skaleerimist paralleelsete ühikute lisamise (numbering-up) ning viibeaja, ultraheli amplituudi ja voolutiheduse kohandamise kaudu.

Hielscheri sono-elektrosonde kasutatakse edukalt mitmesugustes rakendustes, sealhulgas: 

• Tööstusliku reovee puhastamine
• Ujumisbasseini vee töötlemine
• Reovee puhastamine niisutuseks
• Kalakasvatus (akvakultuur)
• Põhjavee taastäiendamine 

Tulemuslikkuse tõendid erinevates maatriksites

• Tapamaja-/olme-/orgaanikarikkad reoveed: Ultraheli abil toetatud EC suurendas KHT ja värvuse eemaldamist võrreldes ainult EC-ga; flotatsiooni sünergia parandab rasva eemaldamist tapamajade vooludest.
• Värvainete/tekstiilitööstuse heitveed: SEC puhul on järjekindlalt täheldatud suuremat värvuse kõrvaldamist ja KHT vähenemist kui kas ainult ultraheli või ainult EC puhul, mis kajastab paranenud mikrosegunemist ja radikaalide osalusel kulgevaid reaktsiooniteid.
• Raskmetalle sisaldavad ja komposti nõrgvesi: Ultraheli töötlus (sonikeerimine) kiirendab metallide eemaldamise kinetikat ja parandab üldist tõhusust; hübriid-SEC koos tseoliitidega parandab täiendavalt ammooniumi ja värvuse viimistlevat eemaldamist.

Elektroodi passiveerumine – miks see ultraheli mõjul kaob

Passiivsed kihid (nt FeOOH/Al2O3, polümeersed kiled, õlid) takistavad voolu jaotumist ja suurendavad aja jooksul raku pinget. Sono-elektrokoagulatsioonis (SEC) kuluvad kavitatsiooni mikrojoad kiled in situ füüsiliselt maha; akustiline voolamine uuendab pidevalt elektroodi lähedast lahust, takistades lokaalse aluseliseks muutumise/sadenemise tsoonide teket, mis annavad passiveerumisele alguse. SEC-i ja hübriidset sonoelektrokeemiat käsitlevad ülevaated nimetavad passiveerumise häirimist selgesõnaliselt püsiva jõudluse peamiseks mehhanismiks.

Hielscheri sono-elektrokeemilised läbivoolukambri reaktorid

Hielscheri tootevalik hõlmab suure võimsusega sondsonikaatoreid, sono-elektroode ja ultraheli läbivoolureaktoreid, mis sobivad sono-elektrokoagulatsiooniks. Konfiguratsioonid hõlmavad sonde, mis toimivad elektroodidena, või integreerimist spetsiaalsete EC-elektroodidega, ning need on mõeldud in-line pidevaks tööks. See riistvaravalik toetab otseselt keemiavaba lähenemist – väline koagulandi doseerimine puudub –, pakkudes samal ajal hüdrodünaamilisi ja akustilisi välju, mida on vaja passiveerumisvabaks tööks.

Rakendusjuhised settevee, olmereovee, põhjavee ja tööstuslike heitvete jaoks

• Kõrge tahkisesisaldusega settevesi: Kasutage laiemaid voolukanaleid ja tugevat segamist; ultraheli aitab hoida tahked osakesed hõljumis ja elektroodid puhtad, võimaldades pidevat tööd.
• Olmereovesi/munitsipaalreovesi: SEC on tõhus hägususe, heljumi üldsisalduse (TSS), õlide/rasvade ja värvuse puhul; eelnev liivapüüdmine kaitseb hüdraulikat. Viimistlev filtreerimine annab veele, mida saab juhtida keskkonda või taaskasutada.
• Põhjavesi (metallid, arseen, kolloidid): SEC on suurepärane mitmevalentsete metallide ja poolmetallide püüdmisel; ultraheli stabiliseerib pikaajalist tööd minimaalse katlakivi tekkega.
• Tööstus (värvained, toit/jook, petrokeemia): SEC lahendab emulsioonide ja püsiva värvuse probleeme; reaktorite paralleelne lisamine (numbering-up) Hielscheri läbivoolukambrites lihtsustab skaleerimist muutuvate koormuste korral.

Disain, tootmine ja nõustamine – kvaliteet, mis on valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultraheliseadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutus võimaldavad meie ultraheliseadmete sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Rasked tingimused ja nõudlikud keskkonnad on Hielscheri ultraheliseadmetele kergesti talutavad.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ja pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultraheliseadmetele, mis põhinevad tipptehnoloogial ja on kasutajasõbralikud. Loomulikult on Hielscheri ultraheliseadmed CE-nõuetele vastavad ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs nõudeid.