化学薬品を使わないソノ電気凝固できれいな水を

電気凝集（EC）は、犠牲電極から凝集種（Fe(OH)x、Al(OH)xなど）をその場で生成する電気化学プロセスであり、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。ECとパワー超音波の結合 – “超音波電気凝固法” (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入力でフロック形成を促進する。化学薬品を使用しない超音波電気凝集処理は、Hielscher社製の超音波電気化学リアクターを用いて連続フローで実行することができ、その後、フロックの重力分離と清澄水の引き抜きが行われます。

なぜ超音波と電気凝固を組み合わせるのか？ – そのメカニズム

Hielscher超音波電極を用いた超音波電気凝固では、超音波プローブが同時に電気凝固電極として機能し、高出力超音波と電気化学的金属溶解を直接結合させる。高強度超音波（通常～20kHz）は、活性電極表面のすぐ近くで音響キャビテーションを誘発する。キャビテーション気泡の成長と激しい崩壊が繰り返されることにより、局所的なマイクロジェット、衝撃波、激しいマイクロストリーミングが発生し、まさに電気化学反応が起こる。
この共局在化した超音波と電気化学的相互作用は、いくつかの重要な効果をもたらす：
(i) 電気化学拡散層が連続的に薄くなり、物質移動が著しく促進される；
(ii) 電極表面から不動態化酸化膜と水酸化物膜を積極的に除去し、汚損と電流減衰を防止する。
(iii) 電極と溶液の界面で電解液が常に更新され、均一な電流密度と安定した凝固剤の生成が維持される。
その結果、Hielscher社製ソノ電極は、化学凝集剤を添加することなく、不動態化によるシャットダウンのない真の連続電気凝集、電流効率の向上、より安定した水酸化金属フロックのその場形成を可能にします。
電気凝固の場合、これらの効果は次のようになる：

• 不動態化制御： キャビテーションとせん断が電極上の絶縁酸化膜と高分子膜を破壊し、活性面積と安定したオーミック滴を維持する。 – そのため “パッシベーションフリー” オペレーションを行う。
• より高い界面物質移動： 減少した境界層は、与えられた電流密度での金属溶解と凝固剤形成の速度を増加させる。
• 凝固促進 & フローテーション 超音波マイクロバブルと（電気分解による）より微細なH2O2バブルは、疎水性微粒子と油の核生成、凝集、浮力分離を促進する。
• 濃縮スラッジのファウリングを低減します：攪拌は、汚泥水や一部の工業廃液に典型的な高固形分マトリックスにおけるケーキの蓄積を緩和します。

科学的なレビューでは、これらの超音波化学的な利点と、超音波電気化学リアクターへの応用が一貫して報告されている。

プロセスフロー：化学薬品を使用しないソノ電気化学処理トレイン

1. スクリーニング & 均等化：粗い固形物を除去し、流量/負荷を緩衝する。
2. (オプション）pH設定値：電気凝集は許容範囲内ですが、pH6～8が金属水酸化物の特異化と汚染物質の捕捉を最大化することがよくあります。
3. フローセルでの超音波電気凝固：パワー超音波電極を備えたHielscher超音波電気化学リアクターに廃水を送液する。連続的な超音波処理で電極を活性化させる。 – 不動態化シャットダウンなし。
4. 相分離：下流の清澄機または沈殿槽：金属水酸化物フロックとカプセル化された汚染物質が沈殿（または浮遊）し、汚泥として引き抜かれる。セル後の重力沈降／浮遊が一般的。
5. 研磨（必要に応じて）：砂/UFフィルターまたは残留濁度/有機物用活性炭、オプションで消毒。

 

このビデオは、直接電極による超音波照射が電流に与える良い影響を説明しています。電気化学アップグレードのHielscher UP100H（100ワット、30kHz）超音波ホモジナイザーとチタン電極/ソノトロードを使用しています。希硫酸を電気分解すると水素ガスと酸素ガスが発生する。超音波処理により電極表面の拡散層厚さが減少し、電解中の物質移動が改善される。

超音波電気化学-バッチ電解における超音波の影響の説明



 

ソノ電極とリアクターHielscher ソノ電気化学フローセル

Hielscher社は、超音波と電気化学セルを統合した高出力プローブ型トランスデューサとインラインフローリアクタを提供しています。プローブは電極として構成することも、専用のEC電極と結合させることも可能で、工業用流量での堅牢な連続運転が可能です。モジュール式フローセルは、ナンバリングや滞留時間、超音波振幅、電流密度の調整により、スケールアップを簡素化します。

Hielscher社のソノエレクトロプローブは、以下のような様々な用途に使用されています：

• 産業廃水処理
• プールの水処理
• 灌漑用廃水処理
• 魚の養殖（水産養殖）
• 地下水涵養

マトリクスを超えたパフォーマンスの証拠

• 屠殺場/下水/有機物を多く含む廃水： 超音波アシストECは、EC単独に比べてCODと色の除去率を向上させた。
• 染料/繊維排水： SECは、マイクロミキシングとラジカルアシスト経路の改善を反映して、超音波またはEC単独よりも高い脱色率とCOD低減率を一貫して報告している。
• 重金属と堆肥の浸出物： ソニケーションは金属除去の動力学と全体的な効率を高め、ゼオライトとのハイブリッドSECはアンモニウムと色の研磨をさらに改善する。

電極パッシベーション – 超音波で消える理由

受動層（FeOOH/Al2O3、高分子フィルム、オイルなど）は電流分布を妨げ、時間の経過とともにセル電圧を上昇させる。音波電気凝固法（SEC）では、キャビテーションマイクロジェットがその場で膜を物理的に研磨します。音響ストリーミングは電極近傍の溶液を連続的にリフレッシュし、不動態化の種となる局所的なアルカリ化/沈殿ゾーンを防ぎます。SECとハイブリッド超音波電気化学のレビューでは、性能を持続させる主要なメカニズムとして不動態化破壊が明示されています。

Hielscher ソノ電気化学フローセルリアクター

Hielscherの製品ラインナップには、超音波電気凝固に適した高出力プローブソニケーター、超音波電極、超音波フロースルー反応器があります。構成には、電極として機能するプローブや、インライン連続運転用に設計された専用EC電極との統合が含まれます。このようなハードウェアの選択は、化学薬品不使用の理念を直接サポートします。 – 外部凝固剤投与なし – 同時に、不動態化防止に必要な流体力学的・音響学的フィールドを提供する。

汚泥水、下水、地下水、産業排水に関する実施上の注意事項

• 高固形分の汚泥水： より広い流路と強力な攪拌を使用することで、超音波が固形物の浮遊と電極の清浄を維持し、連続運転を可能にします。
• 下水道／市営： SECは濁度、TSS、油脂、色に効果的で、上流の砂塵除去は水力を保護します。研磨ろ過により、放流または再利用可能な水を生成します。
• 地下水（金属、ヒ素、コロイド）： SECは多価金属とメタロイドの捕獲に優れ、超音波は最小限のスケーリングで長期運転を安定させる。
• 工業用（染料、食品/飲料、石油化学）： SECは、エマルションと不溶性カラーに対応し、Hielscherフローセルにおけるリアクターのナンバリングアップは、変動負荷下でのスケーリングを簡素化する。

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。