Acqua pulita mediante sono-elettrocoagulazione senza sostanze chimiche

L’elettrocoagulazione (EC) è un processo elettrochimico che genera in situ specie coagulanti (ad esempio Fe(OH)x, Al(OH)x) da elettrodi sacrificali, catturando colloidi, emulsioni, metalli, coloranti e contaminanti emergenti. L’accoppiamento dell’EC con ultrasuoni di potenza – “sono-elettrocoagulazione” (SEC) – intensifica il trasferimento di massa, inibisce la passivazione degli elettrodi e accelera la formazione di fiocchi con un minore apporto energetico specifico. Un trattamento di sono-elettrocoagulazione senza sostanze chimiche può essere eseguito in flusso continuo con reattori sono-elettrochimici Hielscher, seguito dalla separazione dei fiocchi per gravità e dal prelievo dell’acqua chiarificata.

Perché abbinare gli ultrasuoni all’elettrocoagulazione? – I meccanismi alla base

Nella sono-elettrocoagulazione con sono-elettrodi Hielscher, la sonda a ultrasuoni funge contemporaneamente da elettrodo per l’elettrocoagulazione, accoppiando direttamente gli ultrasuoni di potenza alla dissoluzione elettrochimica del metallo. Gli ultrasuoni ad alta intensità (tipicamente ~20 kHz) inducono cavitazione acustica nelle immediate vicinanze della superficie attiva dell’elettrodo. La crescita ripetuta e il collasso violento delle bolle di cavitazione generano microgetti localizzati, onde d’urto e intensi microflussi proprio dove avvengono le reazioni elettrochimiche.
Questa interazione tra sonicazione e processi elettrochimici, che avvengono nello stesso punto, produce diversi effetti fondamentali:
(i) assottigliamento continuo dello strato di diffusione elettrochimica, con un notevole miglioramento del trasferimento di massa;
(ii) rimozione attiva dei film passivanti di ossidi e idrossidi dalla superficie dell’elettrodo, prevenendo la formazione di depositi e il calo della corrente; e
(iii) rinnovo costante dell’elettrolita all’interfaccia elettrodo–soluzione, mantenendo una densità di corrente uniforme e una generazione stabile di coagulante.
Di conseguenza, i sono-elettrodi Hielscher consentono un’elettrocoagulazione realmente continua senza arresti dovuti alla passivazione, una maggiore efficienza di corrente e una formazione in situ più uniforme di fiocchi di idrossidi metallici – senza la necessità di aggiungere coagulanti chimici.
Per l’elettrocoagulazione, questi effetti si traducono in:

• Controllo della passivazione: La cavitazione e il taglio disgregano i film isolanti di ossidi e polimeri sugli elettrodi, mantenendo l’area attiva e cadute ohmiche stabili – da qui il funzionamento “senza passivazione”.
• Maggiore trasferimento di massa interfacciale: La riduzione degli strati limite aumenta la velocità di dissoluzione del metallo e di formazione del coagulante a una data densità di corrente.
• Miglioramento della coagulazione e della flottazione: Le microbolle generate dagli ultrasuoni e le bolle più fini di H2O2 (prodotte dall’elettrolisi) favoriscono la nucleazione, l’agglomerazione e la separazione per galleggiamento del particolato idrofobo e degli oli.
• Minore formazione di depositi nei fanghi concentrati: l’agitazione limita l’accumulo di strati di solidi nelle matrici ad alto contenuto di solidi tipiche delle acque di fango e di alcuni effluenti industriali.

Le rassegne scientifiche documentano sistematicamente questi vantaggi sonochimici e la loro applicazione ai reattori sono-elettrochimici.

Flusso di processo: una linea di trattamento sono-elettrochimico senza sostanze chimiche

1. Grigliatura e equalizzazione: rimuovere i solidi grossolani; compensare le variazioni di portata e carico.
2. (Facoltativo) Valore di regolazione del pH: l’elettrocoagulazione tollera variazioni di pH, ma un pH di 6–8 spesso massimizza la speciazione degli idrossidi metallici e la cattura degli inquinanti; i flussi con pH estremo possono richiedere una lieve correzione.
3. Sono-elettrocoagulazione in cella di flusso: pompare le acque reflue attraverso un reattore sono-elettrochimico Hielscher dotato di elettrodi a ultrasuoni di potenza. Il trattamento continuo a ultrasuoni mantiene attivi gli elettrodi – nessun arresto dovuto alla passivazione.
4. Separazione delle fasi: chiarificatore o vasca di sedimentazione a valle: i fiocchi di idrossidi metallici e i contaminanti inglobati sedimentano (o flottano) e vengono estratti sotto forma di fango; l’acqua chiarificata viene decantata o pompata in un serbatoio di acqua pulita. La sedimentazione/flottazione per gravità dopo la cella è comunemente.
5. Affinamento (secondo necessità): filtri a sabbia/UF o carbone attivo per la torbidità residua e le sostanze organiche residue; disinfezione facoltativa.

 

Questo video illustra l’effetto positivo della sonicazione diretta dell’elettrodo sulla corrente elettrica. Viene utilizzato un omogeneizzatore a ultrasuoni Hielscher UP100H (100 watt, 30kHz) con un kit per applicazioni elettrochimiche e un elettrodo/sonotrodo in titanio. L’elettrolisi dell’acido solforico diluito produce idrogeno e ossigeno gassosi. La sonicazione riduce lo spessore dello strato di diffusione sulla superficie dell’elettrodo e migliora il trasferimento di massa durante l’elettrolisi.

 

Sono-elettrodi e reattori: celle di flusso sono-elettrochimiche Hielscher

Hielscher offre trasduttori a sonda ad alta potenza e reattori di flusso in linea che integrano gli ultrasuoni con celle elettrochimiche. Le sonde possono essere configurate come elettrodi o accoppiate a elettrodi dedicati all’EC, consentendo un funzionamento robusto e continuo a portate industriali. Le celle di flusso modulari semplificano l’aumento di scala mediante l’incremento del numero di unità e la regolazione del tempo di permanenza, dell’ampiezza ultrasonica e della densità di corrente.

Le sono-elettrosonde Hielscher sono utilizzate con successo in diverse applicazioni, tra cui: 

• Trattamento delle acque reflue industriali
• Trattamento dell’acqua delle piscine
• Trattamento delle acque reflue per l’irrigazione
• Piscicoltura (acquacoltura)
• Ricarica delle falde acquifere 

Evidenze delle prestazioni in diverse matrici

• Acque reflue di macelli/fognarie/ricche di sostanze organiche: L’EC assistita da ultrasuoni ha aumentato la rimozione del COD e del colore rispetto alla sola EC; la sinergia con la flottazione migliora la rimozione dei grassi nei flussi reflui dei macelli.
• Effluenti contenenti coloranti/dell’industria tessile: Per la SEC vengono sistematicamente riportati una decolorazione e un abbattimento del COD superiori rispetto ai soli ultrasuoni o alla sola EC, grazie al miglioramento della micromiscelazione e dei percorsi di reazione assistiti da radicali.
• Percolati contenenti metalli pesanti e percolati di compost: La sonicazione accelera la cinetica di rimozione dei metalli e aumenta l’efficienza complessiva; la SEC ibrida con zeoliti migliora ulteriormente l’affinamento per la rimozione dell’ammonio e del colore.

Passivazione degli elettrodi – Perché scompare sotto l’azione degli ultrasuoni

Gli strati passivi (ad esempio FeOOH/Al2O3, film polimerici, oli) ostacolano la distribuzione della corrente e aumentano la tensione della cella nel tempo. Nella sono-elettrocoagulazione (SEC), i microgetti di cavitazione asportano fisicamente i film per abrasione in situ; il flusso acustico rinnova continuamente la soluzione in prossimità dell’elettrodo, prevenendo la formazione di zone locali di alcalinizzazione/precipitazione che innescano la passivazione. Le rassegne sulla SEC e sulla sono-elettrochimica ibrida identificano esplicitamente l’interruzione della passivazione come uno dei meccanismi principali per mantenere le prestazioni nel tempo.

Reattori a cella di flusso sono-elettrochimici Hielscher

La gamma Hielscher comprende sonicatori a sonda ad alta potenza, sono-elettrodi e reattori a ultrasuoni a flusso passante adatti alla sono-elettrocoagulazione. Le configurazioni includono sonde che fungono da elettrodi oppure l’integrazione con elettrodi dedicati all’EC, progettate per il funzionamento continuo in linea. Questa scelta di apparecchiature sostiene direttamente il principio del trattamento senza sostanze chimiche – nessun dosaggio esterno di coagulanti – fornendo al contempo i campi idrodinamici e acustici necessari per il funzionamento senza passivazione.

Indicazioni di implementazione per acque di fango, acque fognarie, acque sotterranee ed effluenti industriali

• Acque di fango ad alto contenuto di solidi: Utilizzare canali di flusso più ampi e un’agitazione vigorosa; gli ultrasuoni contribuiscono a mantenere i solidi in sospensione e gli elettrodi puliti, consentendo il funzionamento continuo.
• Acque fognarie/reflue urbane: La SEC è efficace per la rimozione di torbidità, TSS, oli/grassi e colore; la dissabbiatura a monte protegge il circuito idraulico. La filtrazione di affinamento produce acqua pronta per lo scarico o il riutilizzo.
• Acque sotterranee (metalli, arsenico, colloidi): La SEC è particolarmente efficace nella cattura di metalli multivalenti e metalloidi; gli ultrasuoni stabilizzano il funzionamento a lungo termine con una formazione minima di incrostazioni.
• Industria (coloranti, alimenti/bevande, petrolchimica): La SEC tratta le emulsioni e il colore persistente; l’aumento del numero di reattori nelle celle di flusso Hielscher semplifica l’aumento di scala in presenza di carichi variabili.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono noti per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la facilità d’uso consentono una semplice integrazione dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano agevolmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni caratterizzati da tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alle direttive CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoHs.