薬品を使わない超音波電気凝集による浄水

電気凝集（EC）は、犠牲電極から凝集剤となる化学種（例：Fe(OH)x、Al(OH)x）をその場で生成し、コロイド、エマルション、金属、染料、新興汚染物質を捕捉する電気化学プロセスです。ECと高出力超音波を組み合わせる「超音波電気凝集」（SEC）は、物質移動を強化し、電極の不動態化を抑制し、より低い比エネルギー投入量でフロック形成を加速します。薬品を使わない超音波電気凝集処理は、Hielscherの超音波電気化学反応器を用いて連続フローで実施でき、その後、フロックを重力分離して清澄水を取り出します。

超音波と電気凝集を組み合わせる理由 – その機構上の根拠

Hielscherの超音波電極を用いる超音波電気凝集では、超音波プローブが電気凝集用電極としても機能し、高出力超音波と電気化学的な金属溶解を直接結合します。高強度超音波（通常は~20 kHz）は、活性電極表面のすぐ近くで音響キャビテーションを引き起こします。キャビテーション気泡が成長と激しい崩壊を繰り返すことで、電気化学反応が起こるまさにその場所に、局所的なマイクロジェット、衝撃波、強い微小流が生じます。
同じ場所で起こるこの超音波処理と電気化学の相互作用は、いくつかの重要な効果をもたらします。
(i) 電気化学的拡散層を継続的に薄くし、物質移動を大幅に促進します。
(ii) 電極表面から不動態化を引き起こす酸化物膜や水酸化物膜を能動的に除去し、汚損と電流の低下を防ぎます。
(iii) 電極と溶液の界面で電解液を絶えず更新し、均一な電流密度と安定した凝集剤生成を維持します。
その結果、Hielscherの超音波電極は、薬品凝集剤を添加することなく、不動態化による停止のない真の連続電気凝集、電流効率の向上、金属水酸化物フロックのより安定したその場での形成を可能にします。
電気凝集において、これらの効果は次のように現れます。

• 不動態化の制御： キャビテーションとせん断が電極上の絶縁性酸化物膜や高分子膜を破壊し、活性面積と安定した抵抗性電圧降下を維持します – これにより「不動態化のない」運転が可能になります。
• 界面での物質移動の向上： 境界層が薄くなることで、一定の電流密度における金属溶解と凝集剤形成の速度が高まります。
• 凝集と浮上分離の促進： 超音波による微細気泡と、さらに細かいH2O2気泡（電気分解による）が、疎水性微粒子や油の核生成、凝集、浮力による分離を促進します。
• 濃縮汚泥での汚損の低減：撹拌により、汚泥水や一部の産業排水に典型的な高固形分の処理対象におけるケーキの堆積を抑えます。

科学的な総説では、これらの超音波化学的な利点と、超音波電気化学反応器への応用が一貫して報告されています。

プロセスフロー：薬品を使わない超音波電気化学処理系列

1. スクリーン処理と均等化：粗大な固形物を除去し、流量と負荷の変動を緩和します。
2. （任意）pH設定値：電気凝集は幅広い条件に対応できますが、pH 6–8では金属水酸化物の化学種分布と汚染物質の捕捉が最大になることが多く、極端なpHの流入水にはわずかな補正が必要になる場合があります。
3. フローセル内での超音波電気凝集：高出力超音波電極を備えたHielscherの超音波電気化学反応器に排水をポンプで送ります。連続的な超音波処理によって電極の活性が保たれ、不動態化による停止がなくなります。
4. 相分離：下流の清澄化槽または沈殿槽で、金属水酸化物フロックとその内部に取り込まれた汚染物質が沈降（または浮上）し、汚泥として排出されます。清澄水はデカンテーションするか、清水タンクへポンプで送ります。セルの後の重力沈降／浮上分離は一般に。
5. 仕上げ処理（必要に応じて）：残留する濁りや有機物に対して砂ろ過／UFフィルターまたは活性炭を使用し、必要に応じて消毒を行います。

 

この動画では、電極への直接的な超音波照射が電流に与える好影響を示します。電気化学用の拡張機能とチタン製電極兼ソノトロードを備えたHielscherの超音波ホモジナイザーUP100H（100ワット、30kHz）を使用しています。希硫酸の電気分解によって水素ガスと酸素ガスが発生します。超音波処理は電極表面の拡散層を薄くし、電気分解中の物質移動を改善します。

 

超音波電極と反応器：Hielscherの超音波電気化学フローセル

Hielscherは、超音波と電気化学セルを一体化する高出力プローブ型振動子およびインラインフロー反応器を提供しています。プローブは電極として構成することも、専用のEC電極と組み合わせることもでき、産業規模の流量で堅牢かつ連続的な運転を可能にします。モジュール式フローセルは、台数を増やすナンバリングアップと、滞留時間、超音波振幅、電流密度の調整によって、スケールアップを容易にします。

Hielscherの超音波電気化学プローブは、次のようなさまざまな用途で良好な実績を上げています。 

• 産業排水処理
• プール水の処理
• 灌漑用の排水処理
• 魚の養殖（水産養殖）
• 地下水涵養 

さまざまな処理対象における性能の実証

• 食肉処理場排水／下水／有機物を多く含む排水： 超音波を併用したECは、EC単独と比較してCODと色の除去を向上させました。浮上分離との相乗効果により、食肉処理場排水からの油脂除去が改善されます。
• 染料排水／繊維産業排水： SECでは、超音波単独またはEC単独のいずれよりも高い脱色効果とCOD低減が一貫して報告されており、微視的混合の改善とラジカルが関与する反応経路を反映しています。
• 重金属を含む浸出水および堆肥浸出水： 超音波処理は、金属除去の反応速度と総合効率を高めます。ゼオライトを組み合わせたハイブリッドSECは、アンモニウムと色に対する仕上げ処理をさらに改善します。

電極の不動態化 – 超音波によって解消される理由

不動態層（例：FeOOH/Al2O3、高分子膜、油）は電流の分布を妨げ、時間の経過とともにセル電圧を上昇させます。超音波電気凝集（SEC）では、キャビテーションのマイクロジェットがその場で膜を物理的に削り取ります。音響流は電極近傍の溶液を絶えず更新し、不動態化の起点となる局所的なアルカリ化領域や析出領域の形成を防ぎます。SECおよびハイブリッド超音波電気化学に関する総説は、不動態層の破壊を、性能を持続させる主要な機構として明確に挙げています。

Hielscherの超音波電気化学フローセル反応器

Hielscherの製品群には、超音波電気凝集に適した高出力プローブ型超音波処理装置、超音波電極、超音波フロー式反応器が含まれます。構成には、電極として機能するプローブや専用EC電極との一体化が含まれ、インラインでの連続運転向けに設計されています。このハードウェアの選択は、外部から凝集剤を添加しないという薬品不使用の理念を直接支えながら、不動態化のない運転に必要な流体力学的場と音響場を提供します。

汚泥水、下水、地下水、産業排水への導入上の留意点

• 高固形分の汚泥水： 幅の広い流路と強力な撹拌を使用します。超音波は固形物を懸濁状態に保ち、電極を清浄に維持するのに役立ち、連続運転を可能にします。
• 下水／都市排水： SECは濁り、TSS、油／油脂、色に対して有効です。上流での砂粒除去は通水系統を保護します。仕上げろ過により、放流または再利用が可能な水が得られます。
• 地下水（金属、ヒ素、コロイド）： SECは多価金属および半金属の捕捉に優れています。超音波はスケール付着を最小限に抑え、長期運転を安定させます。
• 産業排水（染料、食品／飲料、石油化学）： SECはエマルションや除去困難な色に対応します。Hielscherのフローセルで反応器の台数を増やすナンバリングアップにより、負荷が変動する条件下でのスケールアップが容易になります。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準でよく知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業設備へ円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証を取得した企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に力を入れています。もちろん、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。