Sono-ozoniseerimine: sonokeemia ja ozoniseerimise sünergia täiustatud oksüdatsioonis

Sono-ozonatsioon on täiustatud oksüdatsiooniprotsess, mis ühendab ühes töötlemissüsteemis ultraheli ja ozoniseerimise. Kuigi mõlemad tehnoloogiad on eraldi võttes tõhusad, annab nende samaaegne kasutamine sageli tugevama tulemuse kui kumbki meetod eraldi. See sünergia on eriti väärtuslik keskkonnaalastes rakendustes, kus tuleb tõhusalt lagundada püsivaid orgaanilisi saasteaineid, mikroorganisme, värvaineid, ravimeid, pestitsiide, tööstuskemikaale ja muid saasteaineid. Akustilise kavitatsiooni ja osoonkeemia integreerimise abil suurendab sono-ozonatsioon radikaalide teket, parandab massiülekannet ja kiirendab oksüdatiivseid reaktsioone vedelates keskkondades.

Kuidas parandab ultrahelitöötlus osoonimist?

Sono-ozoniseerimise põhimõte tugineb ultrahelilise kavitatsiooni ja osooni lagunemise vastastikmõjule. Kui vedelikku suunatakse suure intensiivsusega ultraheli, tekitavad vahelduvad survestus- ja hõrenemistsüklid mikroskoopilisi kavitatsioonimulle. Need mullid kasvavad ja lõhkevad ägedalt, tekitades väga lühikese aja jooksul piirkondlikke kuumkohti, kus valitsevad äärmiselt kõrged temperatuurid ja rõhud. Nendes äärmuslikes tingimustes võivad veemolekulid laguneda väga reaktiivseteks hüdroksüülradikaalideks. Need radikaalid on veesüsteemides ühed võimsaimad mitteselektiivsed oksüdeerijad ja suudavad rünnata laia valikut orgaanilisi ühendeid.

Ultraheliga toetatud osoonimise eelised

Osoon on samuti tugev oksüdeerija ja seda kasutatakse laialdaselt vee ja reovee puhastamisel. See võib reageerida otse teatud saasteainetega või laguneda vees, moodustades sekundaarseid oksüdeerijaid, nagu näiteks hüdroksüülradikaale. Osoonimist võivad aga piirata gaasi ja vedeliku vaheline massiülekande, osooni lahustuvus ja otseste osoonireaktsioonide selektiivsus. Ultraheli aitab neid piiranguid ületada. Kavitatsioon parandab osoonigaasi jaotumist vedelikus, vähendab mullide suurust, uuendab gaasi-vedeliku piiri ja soodustab turbulentset mikrosegamist. Selle tulemusena lahustub osoon tõhusamalt ja laguneb kergemini reaktiivseteks radikaalideks.

Selle tulemuseks on tõhusam oksüdatiivne keskkond. Sono-osoonimisel võivad osoonimolekulid sattuda kavitatsioonimullidesse või koguneda mullide piirpindade lähedusse, kus nad kokkuvarisemise ajal puutuvad kokku äärmuslike termiliste ja mehaaniliste tingimustega. See kiirendab osooni lagunemist ja suurendab hüdroksüülradikaalide ning muude reaktiivsete hapnikuühendite teket. Seetõttu parandab protsess orgaaniliste saasteainete lagunemiskiirust ja võib vähendada töötlemisaega võrreldes tavapärase ozoniseerimisega. Paljudes rakendustes parandab sono-ozonatsioon ka mineraliseerumist, mis tähendab, et orgaanilised molekulid ei muutu mitte ainult vaheühenditeks, vaid oksüdeeruvad edasi süsinikdioksiidiks, veeks ja anorgaanilisteks ioonideks.

Üks sono-osoonimise olulisemaid eeliseid on võime töödelda ühendeid, mis on tavapärase oksüdatsiooni suhtes resistentsed. Paljusid keskkonnasaasteaineid, sealhulgas värvaineid, fenoolühendeid, sisesekretsioonisüsteemi häirivaid kemikaale, ravimijääke ja pindaktiivseid aineid, on raske täielikult eemaldada. Osoon võib reageerida selektiivselt elektronirikkate rühmadega, samas kui ultraheliga indutseeritud radikaalid võivad rünnata vähem selektiivseid molekulaarseid kohti. See kombinatsioon laiendab oksüdatsiooniteede valikut ja suurendab saasteainete lagunemise tõenäosust. See muudab sono-ozonatsiooni atraktiivseks reovee puhastamisel, joogivee puhastamisel, leachate töötlemisel, protsessivee ringlussevõtul ja saastunud veevoolude saneerimisel.

P-nitrofenooli esimese järgu lagunemine ultraheli mõjul koos hapnikuga, osoonimise ja sonolüütilise osoonimise tulemusel. O3 gaasivool 40 ml/min, pH=3, T=298 K. P-nitrofenooli algkontsentratsioon oli 50 mg/l. Anduri ultrahelivõimsus oli 125 W.
Graafik ja uuring: ©Xu jt, 2005

Sono-ozoneerimise rakendused

Sono-ozoniseerimine on mikroorganismide inaktiveerimisel äärmiselt oluline. Ultraheli võib mikrorakusid füüsiliselt kahjustada lõikumisjõudude, mikrojettide, lööklaine ja lokaalsete rõhumuutuste kaudu. Osoon omakorda oksüdeerib rakuseinu, membraane, ensüüme ja geneetilist materjali. Kui neid kahte meetodit kasutatakse koos, on võimalik antimikroobset toimet tugevdada. Kaviteerimine võib nõrgendada või kahjustada rakustruktuure, võimaldades osoonil ja radikaalidel rünnata tõhusamalt. See kombineeritud toime võib parandada desinfektsiooni tulemuslikkust bakterite, seente, vetikate ja muude mikroorganismide vastu. Rakenduste puhul, kus on vaja nii mikroobide kontrolli kui ka orgaaniliste saasteainete lagundamist, pakub sono-ozonatsioon võimast multifunktsionaalset töötlemisviisi.

Lisaks keemilisele lagundamisele ja antimikroobsele toimele võib ultraheli-osoonimine parandada töödeldud vedelike füüsikalis-keemilisi omadusi. Ultraheli kavitatsioon suurendab segamise intensiivsust, soodustab gaaside eraldumist ja hajumist ning parandab oksüdeerijate ja saasteainete vahelist kontakti. Need mõjud võivad aidata vähendada värvust, lõhna, keemilist hapnikutarvet, hägusust ja teatavaid raskesti lagundatavaid orgaanilisi fraktsioone. Mõningates protsessides võib sono-ozonatsioon parandada ka järgnevat töötlemist, muutes püsivad ained biolagunevamateks ühenditeks, suurendades seeläbi bioloogiliste töötlemisetappide tõhusust.

Suletud reaktorid tõhusaks töötlemiseks ja hõlpsaks tootmise laiendamiseks

Sono-ozoneerimise praktiline eelis on see, et seda saab rakendada suletud reaktorsüsteemides. Hielscheri sondtüüpi ultraheliseadmed sobivad selliseks integreerimiseks eriti hästi, kuna need suunavad suure intensiivsusega ultraheli titaanist sonotroodi kaudu otse vedelikku. Proovi saab paigaldada suletud anumasse või läbivoolureaktorisse, kasutades sobivaid avasid, äärikuid või liitmikke. Samal ajal saab osooni sisse viia gaasi sisselaskeava, difuusori, pihusti või ringlusringi kaudu. See võimaldab ultrahelil ja osoonil toimida samaaegselt samas reaktsioonimahus.

Selline seadmestik on lihtne ja skaleeritav. Suletud reaktor sisaldab töödeldavat vedelikku, samal ajal kui ultraheliandur suunab akustilise energia otse keskkonda. Osoon voolab reaktori läbi pidevalt või vahelduvalt, sõltuvalt protsessi nõuetest. Ultraheli parandab osooni jaotumist ja kontakti vedeliku faasiga, samal ajal kui suletud konfiguratsioon aitab osooni ohutult hoida ja võimaldab kontrollitud heitgaaside käitlemist. Ülemäärane osoon võib suunata osoonidehävitajasse või sobivasse heitgaaside töötlemissüsteemi. Olulised tööparameetrid hõlmavad ultraheli amplituudi, sisendvõimsust, töötlemisaega, osoonikontsentratsiooni, gaasi voolukiirust, temperatuuri, rõhku, pH-d ja reaktori geomeetriat.

Hielscheri ultraheli-seadmed osoonimiseks ja täiustatud oksüdatsiooniks

Hielscheri sond-tüüpi ultraheliseadmeid saab kasutada nii partiiliste kui ka pidevate ultraheli-ozoneerimisprotsesside jaoks. Laboratoorses arendustöös võimaldavad kompaktseid ultraheliseadmeid kasutades teadlastel hinnata reaktsioonikiirust, saasteainete lagunemist ja mikroorganismide arvu vähenemist kontrollitud tingimustes. Piloot- ja tööstuslikuks kasutamiseks saab võimsamaid ultrahelisüsteeme integreerida suurematesse mahutitesse või pidevvooreaktoritesse. Kuna sond-tüüpi ultraheliseadmed suunavad energiat vedelikku tõhusalt, sobivad need hästi protsesside intensiivistamiseks, kus on vaja tugevat kavitatsiooni ja usaldusväärset korratavust.

Sono-ozoniseerimine on äärmiselt tõhus sünergiline meetod, mis ühendab osooni keemilise oksüdeerimisvõime ultraheli füüsikaliste ja sonokeemiliste mõjudega. Protsess suurendab radikaalide teket, parandab gaasi-vedeliku massiülekannet, kiirendab saasteainete lagunemist ja tugevdab antimikroobset toimet. Tema sobivus suletud reaktoritega ja Hielscheri sond-tüüpi sonikaatorite otsene integreerimine teeb sono-ozonatsioonist praktilise ja mitmekülgse lähenemisviisi keskkonna puhastamiseks, vee puhastamiseks, reovee puhastamiseks ja täiustatud oksüdatsiooni rakendusteks.

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.

Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.

Kirjandus / Viited