Puhdasta vettä kemikaalittomalla sonoelektrokoagulaatiolla

Sähkökoagulaatio (EC) on sähkökemiallinen prosessi, joka tuottaa paikan päällä koagulanttilajeja (esim. Fe(OH)x, Al(OH)x) uhrielektrodeista, jolloin kolloidit, emulsiot, metallit, väriaineet ja uudet epäpuhtaudet jäävät kiinni. EC:n ja tehoultraäänen yhdistäminen – “sonoelektrokoagulaatio” (SEC) tehostaa aineensiirtoa, estää elektrodin passivoitumista ja nopeuttaa flokin muodostumista pienemmällä ominaisenergian syötöllä. Kemikaalivapaa sonoelektrokoagulaatiokäsittely voidaan suorittaa jatkuvassa virtauksessa Hielscherin sonoelektrokemiallisilla reaktoreilla, minkä jälkeen flokit erotetaan painovoimaisesti ja kirkasvesi vedetään pois.

Miksi yhdistää ultraääni ja sähkökoagulaatio? – Sen mekaaninen perusta

Hielscherin sonoelektrokoagulaatiossa, jossa käytetään sonoelektrodeja, ultraäänisondi toimii samanaikaisesti sähkökoagulaatioelektrodina, jolloin tehoultraääni kytkeytyy suoraan sähkökemialliseen metallin liukenemiseen. Korkean intensiteetin ultraääni (tyypillisesti ~ 20 kHz) aiheuttaa akustista kavitaatiota aktiivisen elektrodin pinnan välittömässä läheisyydessä. Kavitaatiokuplien toistuva kasvu ja väkivaltainen romahtaminen synnyttävät paikallisia mikrosuihkuja, iskuaaltoja ja voimakasta mikrovirtausta juuri siellä, missä sähkökemialliset reaktiot tapahtuvat.
Tämä samanaikainen sonikaatio-sähkökemiallinen vuorovaikutus aiheuttaa useita kriittisiä vaikutuksia:
(i) sähkökemiallisen diffuusiokerroksen jatkuva oheneminen, mikä parantaa merkittävästi aineensiirtoa;
(ii) passiivisten oksidi- ja hydroksidikalvojen aktiivinen poistaminen elektrodin pinnalta, mikä estää likaantumisen ja virran heikkenemisen; ja
(iii) elektrolyytin jatkuva uusiutuminen elektrodin ja liuoksen rajapinnalla, mikä ylläpitää tasaista virrantiheyttä ja vakaata koagulantin muodostumista.
Tämän seurauksena Hielscherin sonoelektrodit mahdollistavat aidosti jatkuvan sähkökoagulaation ilman passivointiin perustuvia seisokkeja, paremman virran hyötysuhteen ja johdonmukaisemman metallihydroksidihilseiden muodostumisen paikan päällä ilman tarvetta kemiallisen koagulantin lisäämiseen.
Sähkökoagulaatiossa nämä vaikutukset ovat:

• Passivoinnin valvonta: Kavitaatio ja leikkaus häiritsevät elektrodien eristäviä oksidi- ja polymeerikalvoja, jolloin aktiivinen pinta-ala ja ohmiset pisarat pysyvät vakaina. – siis “passivoimaton” operaatio.
• Korkeampi rajapinnan aineensiirto: Pienemmät rajakerrokset lisäävät metallin liukenemisnopeutta ja koagulantin muodostumista tietyllä virrantiheydellä.
• Tehostettu koagulaatio & flotaatio: Ultraäänimikrokuplat ja hienojakoisemmat H2O2-kuplat (elektrolyysistä) edistävät hydrofobisten hiukkasten ja öljyjen ydintymistä, agglomeroitumista ja kelluvaa erottumista.
• Pienempi likaantuminen väkevissä lietteissä: Sekoittaminen vähentää kakun muodostumista runsaasti kiintoainetta sisältävissä matriiseissa, jotka ovat tyypillisiä lietevedelle ja joillekin teollisuusjätevesille.

Tieteelliset katsaukset dokumentoivat jatkuvasti näitä sonokemiallisia etuja ja niiden soveltamista sonoelektrokemiallisiin reaktoreihin.

Prosessivirta: kemikaalivapaa sonoelektrokemiallinen käsittelyprosessi

1. seulonta & tasoitus: Poista karkeat kiintoaineet; puskuroi virtausta/kuormitusta.
2. (Valinnainen) pH-asetuspiste: Sähkökoagulaatio on siedettävää, mutta pH 6-8 maksimoi usein metallihydroksidien erilaistumisen ja epäpuhtauksien talteenoton; äärimmäiset pH-arvot saattavat vaatia vähäistä korjausta.
3. Sonoelektrokoagulaatio virtaussolussa: Pumppaa jätevesi Hielscherin sonoelektrokemiallisen reaktorin läpi, joka on varustettu teho-ultraäänielektrodeilla. Jatkuva ultraääni pitää elektrodit aktiivisina. – ei passivointikatkoksia.
4. Vaiheen erottuminen: Selkeytin tai laskeutusallas: metallihydroksidihilseet ja kapseloituneet epäpuhtaudet laskeutuvat (tai kelluvat) ja poistuvat lietteenä; selkeytetty vesi dekantoidaan tai pumpataan puhdasvesisäiliöön. Painovoimainen laskeutus/flotaatio kennon jälkeen on yleistä.
5. Kiillotus (tarpeen mukaan): Hiekka/UF-suodattimet tai aktiivihiili jäljellä olevan sameuden/orgaanisten aineiden osalta; valinnainen desinfiointi.

 

Tämä video kuvaa suoran elektrodin ultrasonicationin positiivista vaikutusta sähkövirtaan. Se käyttää Hielscher UP100H (100 wattia, 30 kHz) ultraäänihomogenisaattoria, jossa on sähkökemian päivitys ja titaanielektrodi / sonotrode. Laimennetun rikkihapon elektrolyysi tuottaa vetykaasua ja happikaasua. Ultrasonication vähentää diffuusiokerroksen paksuutta elektrodin pinnalla ja parantaa massansiirtoa elektrolyysin aikana.

Sono-sähkökemia - kuva ultrasonicsin vaikutuksesta eräelektrolyysiin



 

Sonoelektrodit ja reaktorit: Hielscher Sono-Electrochemical Flow Cells (Sonoelektrokemialliset virtauskennot)

Hielscher tarjoaa suuritehoisia anturityyppisiä antureita ja inline-virtausreaktoreita, joissa ultraääni on yhdistetty sähkökemiallisiin kennoihin. Anturit voidaan konfiguroida elektrodeiksi tai kytkeä erityisiin EC-elektrodeihin, mikä mahdollistaa kestävän ja jatkuvan toiminnan teollisuuden virtausnopeuksilla. Modulaariset virtauskennot yksinkertaistavat skaalausta numeroimalla ja säätämällä viipymäaikaa, ultraäänen amplitudia ja virran tiheyttä.

Hielscherin sonoelektrosondeja käytetään menestyksekkäästi erilaisissa sovelluksissa, kuten:

• Teollisuusjätevesien käsittely
• Uima-altaan vedenkäsittely
• Jäteveden käsittely kastelua varten
• Kalankasvatus (vesiviljely)
• Pohjaveden muodostuminen

Todisteet suorituskyvystä eri matriisien välillä

• Teurastamon/jätevedet/orgaanisesti rikkaat jätevedet: Ultraääniavusteinen EC lisäsi COD:n ja värin poistoa verrattuna pelkkään EC:hen; flotaation synergia parantaa rasvanpoistoa teurastamovirroissa.
• Värjäys-/tekstiilijätevedet: SEC raportoi jatkuvasti korkeampaa värinpoistoa ja COD:n vähentämistä kuin pelkkä ultraääni tai EC, mikä heijastaa parempaa mikrosekoitusta ja radikaalien avustamia reittejä.
• Raskasmetallien ja kompostin suotovedet: Sonikaatio parantaa metallien poistokinetiikkaa ja kokonaistehokkuutta; hybridi-SEC zeoliittien kanssa parantaa entisestään ammoniumin ja värin kiillotusta.

elektrodin passivointi – Miksi se katoaa ultraäänellä

Passiiviset kerrokset (esim. FeOOH/Al2O3, polymeerikalvot, öljyt) haittaavat virran jakautumista ja nostavat kennon jännitettä ajan myötä. Sonoelektrokoagulaatiossa (SEC) kavitaatiomikrosuihkut hiertävät kalvoja fyysisesti paikan päällä; akustinen virtaus virkistää jatkuvasti elektrodin lähellä olevaa liuosta, mikä estää paikalliset alkalisoitumis- ja saostumisvyöhykkeet, jotka aiheuttavat passivoitumista. SEC:n ja hybridi-sonoelektrokemian katsauksissa todetaan nimenomaisesti, että passivointihäiriö on ensisijainen mekanismi, joka takaa kestävän suorituskyvyn.

Hielscher Sono-Electrochemical Flow Cell -reaktorit

Hielscherin tuotevalikoima kattaa suuritehoiset koettimen sonikaattorit, sonoelektrodit ja sonoelektrokoagulaatioon soveltuvat ultraääni-läpivirtausreaktorit. Konfiguraatioihin kuuluu elektrodina toimivia antureita tai integraatio erityisten EC-elektrodien kanssa, jotka on suunniteltu jatkuvaan inline-toimintaan. Tämä laitteistovalikoima tukee suoraan kemikaalivapaata eetosta. – ei ulkoista koagulantin annostelua – samalla kun ne tuottavat passiivittomuuden edellyttämät hydrodynaamiset ja akustiset kentät.

Lietevettä, jätevesiä, pohjavettä ja teollisuusjätevesiä koskevat täytäntöönpanomääräykset.

• Runsaasti kiintoainetta sisältävä lietevesi: Käytä leveämpiä virtauskanavia ja voimakasta sekoitusta; ultraääni auttaa pitämään kiintoaineet suspendoituneina ja elektrodit puhtaina, mikä mahdollistaa jatkuvan käytön.
• Viemäröinti/kunnallinen: SEC on tehokas sameuden, TSS:n, öljyjen/rasvan ja värin suhteen; virtaamansuuntaa edeltävä hiekanpoisto suojaa hydrauliikkaa. Kiillotussuodatuksella saadaan purku- tai uudelleenkäyttöön soveltuvaa vettä.
• Pohjavesi (metallit, arseeni, kolloidit): SEC on erinomainen monivalenttisten metallien ja metalloidien talteenotossa; ultraääni vakauttaa pitkäaikaisen toiminnan minimaalisella skaalautumisella.
• Teollisuus (väriaineet, elintarvikkeet/juomat, petrokemia): SEC ratkaisee emulsiot ja sitkeät värit; reaktorien numerointi Hielscherin virtaussoluissa yksinkertaistaa skaalausta vaihtelevissa kuormituksissa.

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa

Hielscher-ultraääniastiat ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys ja painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Tietenkin, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.