מים נקיים באמצעות סונו-אלקטרוקואגולציה ללא כימיקלים

אלקטרוקואגולציה (EC) היא תהליך אלקטרוכימי שבו נוצרים באתר צורונים מקרישים (למשל Fe(OH)x, Al(OH)x) מאלקטרודות מתכלות, הלוכדים קולואידים, תחליבים, מתכות, צבעים ומזהמים מתעוררים. שילוב של EC עם אולטרסאונד רב-עוצמה – "סונו-אלקטרוקואגולציה" (SEC) – מגביר את מעבר המסה, מדכא פסיבציה של האלקטרודות ומאיץ את היווצרות הפתיתים תוך השקעת אנרגיה סגולית נמוכה יותר. ניתן לבצע טיפול בסונו-אלקטרוקואגולציה ללא כימיקלים בזרימה רציפה באמצעות כורים סונו-אלקטרוכימיים של Hielscher, ולאחריו להפריד את הפתיתים בכוח הכבידה ולנקז את המים הצלולים.

מדוע לשלב אולטרסאונד עם אלקטרוקואגולציה? – הבסיס המנגנוני

בסונו-אלקטרוקואגולציה באמצעות סונו-אלקטרודות של Hielscher, הגשושית האולטרסונית משמשת בו-זמנית גם כאלקטרודה לאלקטרוקואגולציה, ומשלבת ישירות אולטרסאונד רב-עוצמה עם המסה אלקטרוכימית של מתכת. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה (בדרך כלל ~20 kHz) משרה קוויטציה אקוסטית בסמיכות מיידית לפני השטח הפעילים של האלקטרודה. הגדילה החוזרת והקריסה העזה של בועות הקוויטציה יוצרות מיקרו-סילונים מקומיים, גלי הלם ומיקרו-זרימה עזה בדיוק במקום שבו מתרחשות התגובות האלקטרוכימיות.
אינטראקציה זו בין סוניקציה לאלקטרוכימיה, המתרחשת באותו מיקום, יוצרת כמה השפעות קריטיות:
(i) דיקוק מתמשך של שכבת הדיפוזיה האלקטרוכימית, המשפר במידה ניכרת את מעבר המסה;
(ii) הסרה פעילה של שכבות תחמוצת והידרוקסיד הגורמות לפסיבציה מפני האלקטרודה, המונעת הצטברות משקעים ודעיכת זרם; וכן
(iii) חידוש מתמיד של האלקטרוליט בממשק אלקטרודה–תמיסה, השומר על צפיפות זרם אחידה ועל יצירה יציבה של חומר מקריש.
כתוצאה מכך, סונו-אלקטרודות של Hielscher מאפשרות אלקטרוקואגולציה רציפה באמת ללא השבתות הנגרמות מפסיבציה, נצילות זרם משופרת והיווצרות עקבית יותר באתר של פתיתי הידרוקסיד מתכת – ללא צורך בהוספת חומר מקריש כימי.
באלקטרוקואגולציה, השפעות אלו מתבטאות ב:

• בקרת פסיבציה: קוויטציה וגזירה מפרקות שכבות מבודדות של תחמוצות ופולימרים על האלקטרודות, ושומרות על שטח פעיל ועל מפלי מתח אוהמיים יציבים – ומכאן פעולה "ללא פסיבציה".
• מעבר מסה מוגבר בממשק: שכבות גבול דקות יותר מגבירות את קצב המסת המתכת ואת קצב היווצרות החומר המקריש בצפיפות זרם נתונה.
• קרישה והצפה משופרות: מיקרו-בועות אולטרסוניות ובועות H2O2 קטנות יותר (מאלקטרוליזה) מעודדות התגרענות, הצטברות והפרדה בציפה של חלקיקים הידרופוביים ושמנים.
• הצטברות משקעים מופחתת בבוצות מרוכזות: ערבול מצמצם הצטברות של עוגת משקע במטריצות עתירות מוצקים האופייניות למי בוצה ולחלק מהשפכים התעשייתיים.

סקירות מדעיות מתעדות בעקביות יתרונות סונוכימיים אלו ואת יישומם בכורים סונו-אלקטרוכימיים.

זרימת התהליך: מערך טיפול סונו-אלקטרוכימי ללא כימיקלים

1. סינון גס ואיזון: סילוק מוצקים גסים; מיתון תנודות בזרימה ובעומסים.
2. (אופציונלי) ערך יעד ל-pH: אלקטרוקואגולציה סובלנית לשינויים, אך pH של 6–8 ממקסם לעיתים קרובות את הספציאציה של הידרוקסידי מתכות ואת לכידת המזהמים; זרמים בעלי pH קיצוני עשויים להזדקק לתיקון קל.
3. סונו-אלקטרוקואגולציה בתא זרימה: שאבו את השפכים דרך כור סונו-אלקטרוכימי של Hielscher המצויד באלקטרודות אולטרסוניות רבות-עוצמה. טיפול אולטרסוני רציף שומר על פעילות האלקטרודות – ללא השבתות עקב פסיבציה.
4. הפרדת פאזות: מצלל או מכל שיקוע במורד הזרם: פתיתי הידרוקסיד מתכת ומזהמים הכלואים בהם שוקעים (או צפים) ומסולקים כבוצה; המים המוצללים מופרדים במזיגה או נשאבים למכל מים נקיים. שיקוע/הצפה בכוח הכבידה לאחר התא הם בדרך כלל.
5. טיפול משלים (לפי הצורך): מסנני חול/UF או פחם פעיל להסרת עכירות שיורית/חומרים אורגניים שיוריים; חיטוי אופציונלי.

 

סרטון זה ממחיש את ההשפעה החיובית של טיפול אולטרסוני ישיר באלקטרודה על הזרם החשמלי. נעשה בו שימוש בהומוגנייזר האולטרסוני UP100H של Hielscher (100 ואט, 30kHz), עם שדרוג לאלקטרוכימיה ואלקטרודה/סונוטרודה מטיטניום. אלקטרוליזה של חומצה גופרתית מדוללת מייצרת מימן גזי וחמצן גזי. הטיפול האולטרסוני מפחית את עובי שכבת הדיפוזיה על פני האלקטרודה ומשפר את מעבר המסה במהלך האלקטרוליזה.

 

סונו-אלקטרודות וכורים: תאי זרימה סונו-אלקטרוכימיים של Hielscher

Hielscher מציעה מתמרים עתירי הספק מסוג גשוש וכורי זרימה בקו המשלבים אולטרסאונד עם תאים אלקטרוכימיים. ניתן להגדיר את הגשושים כאלקטרודות או לשלב אותם עם אלקטרודות ייעודיות לאלקטרוקואגולציה (EC), וכך לאפשר פעולה רציפה ועמידה בספיקות זרימה תעשייתיות. תאי זרימה מודולריים מפשטים את הגדלת קנה המידה באמצעות הגדלת מספר היחידות ובאמצעות התאמת זמן השהייה, משרעת האולטרסאונד וצפיפות הזרם.

הגשושים הסונו-אלקטרוכימיים של Hielscher משמשים בהצלחה במגוון יישומים, ובהם: 

• טיפול בשפכים תעשייתיים
• טיפול במי בריכות שחייה
• טיפול בשפכים לצורכי השקיה
• גידול דגים (חקלאות ימית)
• החדרת מים למילוי חוזר של מאגרי מי תהום 

עדויות לביצועים במטריצות שונות

• שפכי בתי מטבחיים/ביוב/שפכים עשירים בחומר אורגני: אלקטרוקואגולציה (EC) בסיוע אולטרסאונד הגבירה את סילוק צריכת החמצן הכימית (COD) והצבע בהשוואה ל-EC בלבד; הסינרגיה עם ההצפה משפרת את סילוק השומנים מזרמי שפכים של בתי מטבחיים.
• שפכי תעשיות הצבעים/הטקסטיל: ב-SEC מדווחים בעקביות על סילוק צבע והפחתת COD בשיעורים גבוהים יותר מאשר באולטרסאונד בלבד או ב-EC בלבד, דבר המשקף שיפור בערבוב ברמת המיקרו ובמסלולי תגובה בסיוע רדיקלים.
• תשטיפים המכילים מתכות כבדות ותשטיפי קומפוסט: סוניקציה משפרת את קינטיקת סילוק המתכות ואת היעילות הכוללת; SEC משולב עם זאוליטים משפר עוד יותר את טיפול הליטוש לסילוק אמוניום וצבע.

פסיבציה של אלקטרודות – מדוע היא נעלמת בהשפעת אולטרסאונד

שכבות פסיביות (למשל FeOOH/Al2O3, שכבות פולימריות, שמנים) מפריעות לפיזור הזרם ומעלות את מתח התא לאורך זמן. בסונו-אלקטרוקואגולציה (SEC), מיקרו-סילונים הנוצרים בקוויטציה שוחקים פיזית את השכבות באתרן; זרימה אקוסטית מחדשת ברציפות את התמיסה הסמוכה לאלקטרודה, ומונעת אזורים מקומיים של הבססה/שיקוע המהווים מוקדים להתפתחות פסיבציה. סקירות של SEC ושל סונו-אלקטרוכימיה משולבת מזהות במפורש את הסרת שכבות הפסיבציה כמנגנון מרכזי לשמירה על ביצועים לאורך זמן.

כורי תאי זרימה סונו-אלקטרוכימיים של Hielscher

מגוון המוצרים של Hielscher כולל מכשירי סוניקציה עתירי הספק מסוג גשוש, אלקטרודות אולטרסוניות וכורי זרימה אולטרסוניים המתאימים לסונו-אלקטרוקואגולציה. התצורות כוללות גשושים הפועלים כאלקטרודות או שילוב עם אלקטרודות ייעודיות ל-EC, ומתוכננות לפעולה רציפה בקו. בחירה זו בציוד תומכת ישירות בעיקרון של טיפול ללא כימיקלים – ללא מינון חיצוני של חומרי הקרשה – ובמקביל מספקת את השדות ההידרודינמיים והאקוסטיים הדרושים לפעולה ללא פסיבציה.

הערות יישום למי בוצה, ביוב, מי תהום ושפכים תעשייתיים

• מי בוצה בעלי תכולת מוצקים גבוהה: השתמשו בתעלות זרימה רחבות יותר ובערבול נמרץ; האולטרסאונד מסייע לשמור על המוצקים בתרחיף ועל ניקיון האלקטרודות, וכך מאפשר פעולה רציפה.
• ביוב/שפכים עירוניים: SEC יעיל בהפחתת עכירות, מוצקים מרחפים כוללים (TSS), שמנים/שומנים וצבע; סילוק חול וגרגרים במעלה הזרם מגן על המערכת ההידראולית. סינון ליטוש מניב מים מוכנים להזרמה לסביבה או לשימוש חוזר.
• מי תהום (מתכות, ארסן, קולואידים): SEC מצטיין בלכידת מתכות רב-ערכיות ומתכות למחצה; האולטרסאונד מייצב את הפעולה לאורך זמן תוך היווצרות אבנית מזערית.
• שפכים תעשייתיים (צבעים, מזון/משקאות, פטרוכימיה): SEC מטפל בתחליבים ובצבע עמיד לטיפול; הגדלת מספר הכורים בתאי הזרימה של Hielscher מפשטת את הגדלת קנה המידה בתנאי עומס משתנים.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

מכשירי הסוניקציה של Hielscher מוכרים בזכות הסטנדרטים הגבוהים ביותר שלהם לאיכות ולתכנון. עמידות וקלות תפעול מאפשרות שילוב חלק של מכשירי הסוניקציה שלנו במתקנים תעשייתיים. מכשירי הסוניקציה של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירי סוניקציה בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, מכשירי הסוניקציה של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.