Čista voda sono-elektrokoagulacijom bez kemikalija

Elektrokoagulacija (EC) je elektrokemijski proces u kojem se iz žrtvenih elektroda in situ stvaraju koagulacijske vrste (npr. Fe(OH)x, Al(OH)x) koje hvataju koloide, emulzije, metale, bojila i novonastajuća onečišćivala. Povezivanje EC-a s ultrazvukom velike snage – „sono-elektrokoagulacija” (SEC) – intenzivira prijenos tvari, suzbija pasivaciju elektroda i ubrzava stvaranje flokula uz manji specifični unos energije. Obrada sono-elektrokoagulacijom bez kemikalija može se provoditi u kontinuiranom protoku s Hielscher sono-elektrokemijskim reaktorima, nakon čega slijede gravitacijsko odvajanje flokula i odvođenje bistre vode.

Zašto povezati ultrazvuk s elektrokoagulacijom? – Mehanistička osnova

U sono-elektrokoagulaciji s Hielscher sono-elektrodama ultrazvučna sonda istodobno služi kao elektroda za elektrokoagulaciju, čime se ultrazvuk velike snage izravno povezuje s elektrokemijskim otapanjem metala. Ultrazvuk visokog intenziteta (obično ~20 kHz) izaziva akustičnu kavitaciju u neposrednoj blizini aktivne površine elektrode. Ponavljani rast i silovit kolaps kavitacijskih mjehurića stvaraju lokalizirane mikromlazove, udarne valove i intenzivno mikrostrujanje upravo ondje gdje se odvijaju elektrokemijske reakcije.
Ta prostorno podudarna interakcija sonikacije i elektrokemijskih procesa dovodi do nekoliko ključnih učinaka:
(i) kontinuiranog stanjivanja elektrokemijskog difuzijskog sloja, čime se znatno poboljšava prijenos tvari;
(ii) aktivnog uklanjanja pasivirajućih oksidnih i hidroksidnih filmova s površine elektrode, čime se sprječavaju nakupljanje naslaga i opadanje struje; i
(iii) stalnog obnavljanja elektrolita na sučelju elektroda–otopina, čime se održavaju ujednačena gustoća struje i stabilno stvaranje koagulansa.
Kao rezultat toga, Hielscher sono-elektrode omogućuju istinski kontinuiranu elektrokoagulaciju bez prekida rada uzrokovanih pasivacijom, poboljšanu strujnu učinkovitost i ujednačenije stvaranje flokula metalnih hidroksida in situ – bez potrebe za dodavanjem kemijskih koagulansa.
U elektrokoagulaciji ti učinci znače:

• Kontrola pasivacije: Kavitacija i smicanje razaraju izolacijske oksidne i polimerne filmove na elektrodama, održavajući aktivnu površinu i stabilne omske padove napona – otuda rad „bez pasivacije”.
• Intenzivniji prijenos tvari na sučelju: Tanji granični slojevi povećavaju brzinu otapanja metala i stvaranja koagulansa pri zadanoj gustoći struje.
• Poboljšana koagulacija i flotacija: Ultrazvučni mikromjehurići i sitniji mjehurići H2O2 (iz elektrolize) potiču nukleaciju, aglomeraciju i odvajanje hidrofobnih čestica i ulja uzgonom.
• Manje nakupljanje naslaga u koncentriranim muljevima: Miješanje ublažava nakupljanje taložnog kolača u matricama s visokim udjelom krutih tvari, tipičnima za muljnu vodu i neke industrijske otpadne vode.

Znanstveni pregledni radovi dosljedno dokumentiraju te sonokemijske prednosti i njihovu primjenu u sono-elektrokemijskim reaktorima.

Tijek procesa: sono-elektrokemijska linija za obradu bez kemikalija

1. Uklanjanje krupnih tvari rešetkama i egalizacija: Uklonite krupne krute tvari; ublažite oscilacije protoka/opterećenja.
2. (Neobvezno) Zadana vrijednost pH: Elektrokoagulacija tolerira promjene pH, ali pH 6–8 često maksimizira specijaciju metalnih hidroksida i hvatanje onečišćivala; tokovi s ekstremnim vrijednostima pH mogu zahtijevati manju korekciju.
3. Sono-elektrokoagulacija u protočnoj ćeliji: Pumpajte otpadnu vodu kroz Hielscher sono-elektrokemijski reaktor opremljen ultrazvučnim elektrodama velike snage. Kontinuirana sonikacija održava elektrode aktivnima – nema prekida rada zbog pasivacije.
4. Odvajanje faza: Nizvodni bistrilnik ili taložnik: flokule metalnih hidroksida i u njima zarobljena onečišćivala talože se (ili isplivavaju) te se odvode kao mulj; izbistrena voda dekantira se ili pumpa u spremnik čiste vode. Gravitacijska sedimentacija/flotacija nakon ćelije obično je.
5. Završno pročišćavanje (prema potrebi): Pješčani/UF filtri ili aktivni ugljen za preostalu mutnoću/organske tvari; neobvezna dezinfekcija.

 

Ovaj videozapis prikazuje pozitivan utjecaj izravne ultrazvučne obrade elektrode na električnu struju. Upotrebljava se ultrazvučni homogenizator Hielscher UP100H (100 vata, 30kHz) s nadogradnjom za elektrokemiju i titanijskom elektrodom/sonotrodom. Elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline nastaju plinoviti vodik i kisik. Ultrazvučna obrada smanjuje debljinu difuzijskog sloja na površini elektrode i poboljšava prijenos tvari tijekom elektrolize.

 

Sono-elektrode i reaktori: Hielscher sono-elektrokemijske protočne ćelije

Hielscher nudi sondne pretvornike velike snage i protočne reaktore za ugradnju u procesnu liniju koji integriraju ultrazvuk s elektrokemijskim ćelijama. Sonde se mogu konfigurirati kao elektrode ili povezati s namjenskim elektrodama za EC, čime se omogućuje pouzdan kontinuirani rad pri industrijskim protocima. Modularne protočne ćelije pojednostavljuju povećanje kapaciteta povećanjem broja jedinica te prilagodbom vremena zadržavanja, amplitude ultrazvuka i gustoće struje.

Hielscher sonoelektrosonde uspješno se upotrebljavaju za različite primjene, uključujući: 

• Obrada industrijskih otpadnih voda
• Obrada bazenske vode
• Obrada otpadnih voda za navodnjavanje
• Uzgoj riba (akvakultura)
• Prihranjivanje podzemnih voda 

Dokazi učinkovitosti u različitim matricama

• Klaoničke otpadne vode, kanalizacijske vode i otpadne vode bogate organskim tvarima: EC potpomognuta ultrazvukom povećala je uklanjanje COD-a i boje u usporedbi sa samom EC; sinergijski učinak flotacije poboljšava uklanjanje masti iz klaoničkih otpadnih tokova.
• Otpadne vode s bojilima i tekstilne otpadne vode: Za SEC se dosljedno izvješćuje o većem obezbojenju i smanjenju COD-a nego pri primjeni samo ultrazvuka ili samo EC, što odražava poboljšano mikromiješanje i reakcijske putove potpomognute radikalima.
• Procjedne vode s teškim metalima i procjedne vode iz komposta: Sonikacija ubrzava kinetiku uklanjanja metala i povećava ukupnu učinkovitost; hibridna SEC sa zeolitima dodatno poboljšava završnu obradu za uklanjanje amonijevih iona i boje.

Pasivacija elektroda – zašto nestaje pod djelovanjem ultrazvuka

Pasivni slojevi (npr. FeOOH/Al2O3, polimerni filmovi, ulja) ometaju raspodjelu struje i s vremenom povećavaju napon ćelije. U sonoelektrokoagulaciji (SEC) kavitacijski mikromlazovi fizički abrazijom uklanjaju filmove in situ; akustičko strujanje kontinuirano obnavlja otopinu u blizini elektroda, sprječavajući nastanak lokalnih zona alkalizacije/taloženja koje potiču pasivaciju. Pregledni radovi o SEC i hibridnoj sonoelektrokemiji izričito navode narušavanje pasivacije kao primarni mehanizam za održavanje učinkovitosti.

Hielscher sonoelektrokemijski reaktori s protočnom ćelijom

Portfelj tvrtke Hielscher obuhvaća sondne sonikatore velike snage, sonoelektrode i ultrazvučne protočne reaktore prikladne za sonoelektrokoagulaciju. Konfiguracije uključuju sonde koje djeluju kao elektrode ili integraciju s namjenskim elektrodama za EC, a osmišljene su za kontinuirani rad u procesnoj liniji. Ovaj izbor opreme izravno podupire načelo rada bez kemikalija – bez vanjskog doziranja koagulanata – uz stvaranje hidrodinamičkih i akustičkih polja potrebnih za rad bez pasivacije.

Napomene o primjeni za muljne vode, kanalizacijske vode, podzemne vode i industrijske otpadne vode

• Muljne vode s visokim udjelom krutih tvari: Upotrebljavajte šire protočne kanale i snažno miješanje; ultrazvuk pomaže održavati krute tvari u suspenziji i elektrode čistima, omogućujući kontinuirani rad.
• Kanalizacijske/komunalne otpadne vode: SEC je učinkovita za uklanjanje mutnoće, ukupnih suspendiranih tvari (TSS), ulja/masti i boje; prethodno uklanjanje pijeska štiti hidraulički sustav. Završna filtracija daje vodu spremnu za ispuštanje ili ponovnu uporabu.
• Podzemne vode (metali, arsen, koloidi): SEC se ističe u izdvajanju viševalentnih metala i metaloida; ultrazvuk stabilizira dugotrajan rad uz minimalno stvaranje naslaga.
• Industrijske otpadne vode (bojila, hrana/pića, petrokemija): SEC obrađuje emulzije i teško uklonjivu boju; povećanje broja reaktora u Hielscher protočnim ćelijama pojednostavljuje povećanje kapaciteta pri promjenjivim opterećenjima.

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju jednostavnu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom i poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji se odlikuju najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnošću uporabe. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su zahtjevima CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.