מים נקיים באמצעות סונו-אלקטרוקואגולציה ללא כימיקלים

אלקטרוקואגולציה (EC) הוא תהליך אלקטרוכימי המייצר במקום חומרים מקרישים (למשל, Fe(OH)x, Al(OH)x) מאלקטרודות הקרבה, הלוכדות קולואידים, תחליבים, מתכות, צבעים ומזהמים מתהווים. צימוד EC עם אולטרסאונד עוצמתי – “אלקטרו-קואגולציה” (SEC) מעצים את העברת המסה, מדכא את פסיבציה של האלקטרודה ומאיץ את היווצרות הגושים בעלות אנרגיה ספציפית נמוכה יותר. טיפול סונו-אלקטרוקואגולציה ללא כימיקלים יכול להתבצע בזרימה רציפה באמצעות כורים סונו-אלקטרוכימיים של Hielscher, ולאחריו הפרדת הגושים באמצעות כוח הכבידה וניקוז המים הצלולים.

מדוע לשלב אולטרסאונד עם אלקטרוקואגולציה? – הבסיס המכניסטי שלו

בשיטת הסונו-אלקטרוקואגולציה באמצעות אלקטרודות סונו של Hielscher, הבדיקה האולטראסונית משמשת בו-זמנית כאלקטרודה לאלקטרוקואגולציה, ומחברת ישירות בין אולטרסאונד בעל עוצמה גבוהה לבין המסת מתכת אלקטרוכימית. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה (בדרך כלל ~20 kHz) גורם לקוויטציה אקוסטית בסביבה הקרובה של משטח האלקטרודה הפעילה. הצמיחה החוזרת וההתמוטטות האלימה של בועות הקוויטציה יוצרות מיקרו-סילונים מקומיים, גלי הלם ומיקרו-זרמים עזים בדיוק במקום שבו מתרחשות התגובות האלקטרוכימיות.
אינטראקציה משותפת זו בין סוניקציה לאלקטרוכימיה מייצרת מספר השפעות קריטיות:
(i) דילול רציף של שכבת הדיפוזיה האלקטרוכימית, המשפר באופן משמעותי את העברת המסה;
(ii) הסרה פעילה של שכבות תחמוצת והידרוקסיד פסיביות ממשטח האלקטרודה, למניעת זיהום ודהיית זרם; ו
(iii) חידוש מתמיד של האלקטרוליט בממשק בין האלקטרודה לתמיסה, תוך שמירה על צפיפות זרם אחידה וייצור חומר קרישה יציב.
כתוצאה מכך, אלקטרודות הסונו של Hielscher מאפשרות אלקטרוקואגולציה רציפה אמיתית ללא השבתות הנגרמות על ידי פסיבציה, יעילות זרם משופרת ויצירה עקבית יותר של משקעי הידרוקסיד מתכת במקום – ללא צורך בתוספת חומר קרישה כימי.
במקרה של אלקטרוקואגולציה, השפעות אלה מתורגמות ל:

• בקרת פסיבציה: קביטציה וגזירה מפרקות את שכבות הבידוד של תחמוצת ופולימר על האלקטרודות, תוך שמירה על שטח פעיל וירידות אומיות יציבות. – לפיכך “ללא פסיבציה” מבצע.
• העברת מסה בין-משטחית גבוהה יותר: שכבות גבול מצומצמות מגבירות את קצב התמוססות המתכת והיווצרות חומר קרישה בצפיפות זרם נתונה.
• קרישה משופרת & ציפה: מיקרו-בועות אולטראסוניות ובועות H2O2 עדינות יותר (מאלקטרוליזה) מקדמות גרעון, אגרגציה והפרדה צפה של חלקיקים הידרופוביים ושמנים.
• פחות זיהום בבוצה מרוכזת: ערבוב מפחית את הצטברות העוגה במטריצות בעלות תכולת מוצקים גבוהה, האופייניות לבוצה ולשפכים תעשייתיים מסוימים.

סקירות מדעיות מתעדות באופן עקבי את היתרונות הסונוכימיים הללו ואת יישומם במתקנים סונו-אלקטרוכימיים.

תהליך זרימה: תהליך טיפול סונו-אלקטרוכימי ללא כימיקלים

1. ההקרנה & איזון: הסרת מוצקים גסים; איזון זרימה/עומסים.
2. (אופציונלי) נקודת ייחוס pH: אלקטרוקואגולציה היא תהליך סובלני, אך pH 6–8 לרוב ממקסם את פירוק מתכות הידרוקסיד ואת לכידת המזהמים; זרמי pH קיצוניים עשויים לדרוש תיקון קל.
3. סונו-אלקטרוקואגולציה בתא זרימה: שאיבת השפכים דרך כור סונו-אלקטרוכימי של Hielscher המצויד באלקטרודות אולטראסוניות בעלות הספק גבוה. אולטראסוניקציה רציפה שומרת על פעילות האלקטרודות. – ללא השבתות פסיבציה.
4. הפרדת שלבים: מטהר במורד הזרם או מיכל שיקוע: משקעים של מתכת-הידרוקסיד ומזהמים מוקפאים שוקעים (או צפים) ומוצאים כבוצה; מים מטהרים מוזגים או נשאבים למיכל מים נקיים. שיקוע/ציפה בכוח הכבידה לאחר התא הוא נפוץ.
5. ליטוש (לפי הצורך): מסנני חול/UF או פחם פעיל עבור עכירות/חומרים אורגניים שיוריים; חיטוי אופציונלי.

 

סרטון זה ממחיש את ההשפעה החיובית של אלקטרודה ישירה על הזרם החשמלי. הוא משתמש Hielscher UP100H (100 וואט, 30kHz) הומוגנייזר קולי עם שדרוג אלקטרו-כימי אלקטרו אלקטרודה טיטניום / סונוטרודה. אלקטרוליזה של חומצה גופרתית מדוללת מייצרת גז מימן וגז חמצן. אולטרה-סוניקציה מפחיתה את עובי שכבת הדיפוזיה על פני השטח של האלקטרודה ומשפרת את העברת המסה במהלך אלקטרוליזה.

סונו-אלקטרוכימיה - המחשה של השפעת אולטרסאונד על אלקטרוליזה אצווה



 

אלקטרודות סונו-אלקטרוכימיות ומגיבים: תאי זרימה סונו-אלקטרוכימיים של Hielscher

Hielscher מציעה מתמרים מסוג בדיקה בעלי הספק גבוה ומגיבים זרימה מובנים המשלבים אולטרסאונד עם תאים אלקטרוכימיים. הבדיקות ניתנות להגדרה כאלקטרודות או לחיבור לאלקטרודות EC ייעודיות, מה שמאפשר פעולה רציפה ועמידה בקצב זרימה תעשייתי. תאי זרימה מודולריים מפשטים את תהליך ההגדלה על ידי תוספת מספרים והתאמת זמן השהייה, משרעת האולטרסאונד וצפיפות הזרם.

חיישני הקול-אלקטרו של Hielscher משמשים בהצלחה ליישומים שונים, כולל:

• טיפול בשפכים תעשייתיים
• טיפול במי בריכת שחייה
• טיפול בשפכים להשקיה
• גידול דגים (חקלאות ימית)
• הטמנת מי תהום

ראיות לביצועים במטריצות שונות

• בתי מטבחיים/ביוב/שפכים עשירים בחומרים אורגניים: EC בסיוע אולטרסאונד הגביר את הסרת ה-COD והצבע בהשוואה ל-EC בלבד; סינרגיה של ציפה משפרת את הסרת השומנים בזרמי בתי המטבחיים.
• שפכים של צבעים/טקסטיל: SEC מדווחת באופן עקבי על דה-צבע והפחתת COD גבוהים יותר מאשר אולטרסאונד או EC לבדם, מה שמשקף שיפור במיקרו-ערבוב ובמסלולים המסייעים לרדיקלים.
• תמיסות מתכות כבדות וקומפוסט: הסוניקציה מגבירה את קצב הסרת המתכת ואת היעילות הכוללת; SEC היברידי עם זאוליטים משפר עוד יותר את הליטוש של אמוניום וצבע.

פסיבציה של אלקטרודה – מדוע הוא נעלם תחת אולטרסאונד

שכבות פסיביות (למשל, FeOOH/Al2O3, סרטי פולימר, שמנים) מפריעות להפצת הזרם ומעלות את מתח התא לאורך זמן. בתהליך של סונו-אלקטרוקואגולציה (SEC), מיקרו-סילונים של קוויטציה משפשפים פיזית את הסרטים במקום; זרימה אקוסטית מרעננת באופן רציף את התמיסה הקרובה לאלקטרודה, ומונעת אזורי אלקליזציה/משקעים מקומיים המובילים לפסיבציה. סקירות של SEC ושל אלקטרוכימיה היברידית זיהו במפורש את שיבוש הפסיבציה כמנגנון עיקרי לביצועים מתמשכים.

תאי תגובה זרימה אלקטרוכימיים של Hielscher Sono

תיק המוצרים של Hielscher כולל סוניקאטורים בעלי עוצמה גבוהה, אלקטרודות סוניות ומגיבים זרימה אולטראסוניים המתאימים לאלקטרוקואגולציה סונית. התצורות כוללות בדיקות המשמשות כאלקטרודות או שילוב עם אלקטרודות EC ייעודיות, המיועדות לפעולה רציפה ומקוונת. בחירה זו בחומרה תומכת באופן ישיר באתוס נטול הכימיקלים. – ללא מינון חומר קרישה חיצוני – תוך אספקת השדות ההידרודינמיים והאקוסטיים הנדרשים לפעולה ללא פסיבציה.

הערות יישום עבור מי בוצה, ביוב, מי תהום ושפכים תעשייתיים

• מי בוצה בעלי תכולת מוצקים גבוהה: השתמש בתעלות זרימה רחבות יותר ובאגירה חזקה; אולטרסאונד מסייע לשמור על מוצקים מרחפים ועל אלקטרודות נקיות, ומאפשר פעולה רציפה.
• ביוב/עירוני: SEC יעיל עבור עכירות, TSS, שמנים/גריז וצבע; הסרת גרגירי חול במעלה הזרם מגנה על המערכת ההידראולית. סינון ליטוש מניב מים המוכנים לפריקה או לשימוש חוזר.
• מי תהום (מתכות, ארסן, קולואידים): SEC מצטיינת בלכידת מתכות ומטאלואידים רב-ערכיים; אולטרסאונד מייצב פעולה ארוכת טווח עם מינימום הצטברות אבנית.
• תעשייה (צבעים, מזון/משקאות, פטרוכימיה): SEC מטפל בתמיסות ובצבעים עקשניים; מספור הכורים בתאי הזרימה של Hielscher מפשט את קנה המידה תחת עומסים משתנים.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.