სუფთა წყალი ქიმიური ნივთიერებების გარეშე სონო-ელექტროკოაგულაციის მეთოდით

ელექტროკოაგულაცია (EC) არის ელექტროქიმიური პროცესი, რომელიც in situ წარმოქმნის კოაგულანტურ ნაწილაკებს (მაგ., Fe(OH)x, Al(OH)x) მსხვერპლი ელექტროდებიდან და იჭერს კოლოიდებს, ემულსიებს, ლითონებს, საღებავებს და ახალ მავნე ნივთიერებებს. EC-ის შეერთება მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერასთან – „სონო-ელექტროკოაგულაცია“ (SEC) – აძლიერებს მასათა გადატანას, აფერხებს ელექტროდების პასივაციას და აჩქარებს ფანტელების წარმოქმნას ნაკლები კუთრი ენერგიის შეყვანისას. ქიმიური ნივთიერებების გარეშე სონო-ელექტროკოაგულაციური დამუშავება შესაძლებელია განხორციელდეს უწყვეტი ნაკადით Hielscher-ის სონო-ელექტროქიმიურ რეაქტორებში, რასაც მოჰყვება ფანტელების გრავიტაციული დაყოფა და სუფთა წყლის ამოღება.

რატომ უნდა შეერწყას ულტრაბგერა ელექტროკოაგულაციას? – მისი მექანიზმური საფუძველი

სონოელექტროკოაგულაციის დროს, Hielscher-ის სონო-ელექტროდების გამოყენებით, ულტრაბგერითი პრობა ერთდროულად ასრულებს ელექტროკოაგულაციის ელექტროდის ფუნქციას, პირდაპირ აკავშირებს მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერას ელექტროქიმიურ ლითონის გახსნასთან. მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერა (ჩვეულებრივ ~20 kHz) იწვევს აკუსტიკურ კავიტაციას აქტიური ელექტროდის ზედაპირის უშუალო სიახლოვეს. კავიტაციის ბუშტების განმეორებითი ზრდა და მძლავრი კოლაფსი წარმოქმნის ლოკალიზებულ მიკროჭავლებს, დარტყმით ტალღებს და ინტენსიურ მიკრონაკადებს ზუსტად იქ, სადაც ელექტროქიმიური რეაქციები მიმდინარეობს.
ეს თანადგომილი ულტრაბგერითი–ელექტროქიმიური ურთიერთქმედება იწვევს რამდენიმე კრიტიკულ ეფექტს:
(i) ელექტროქიმიური დიფუზიური ფენის უწყვეტი გათხელება, რაც მნიშვნელოვნად ზრდის მასათა გადატანას;
(ii) პასივირების მქონე ოქსიდური და ჰიდროქსიდური ფენების აქტიური მოცილება ელექტროდის ზედაპირიდან, რაც ხელს უშლის დაბინძურებას და დენის კლებას; და
(iii) ელექტროლიტის მუდმივი განახლება ელექტროდ–ხსნარის საზღვარზე, რაც ინარჩუნებს ერთგვაროვან დენის სიმკვრივეს და სტაბილურ კოაგულანტის წარმოქმნას.
შედეგად, Hielscher-ის სონო-ელექტროდები უზრუნველყოფენ ნამდვილ უწყვეტ ელექტროკოაგულაციას პასივირებით გამოწვეული შეჩერებების გარეშე, გაუმჯობესებულ დენის ეფექტურობას და ლითონის ჰიდროქსიდების ნაწილაკების უფრო მდგრად in situ წარმოქმნას–ქიმიური კოაგულანტის დამატების საჭიროების გარეშე.
ელექტროკოაგულაციისთვის, ეს ეფექტები გარდაიქმნება:

• პასივირების კონტროლი: კავიტაცია და ძვრის ძალები არღვევენ ელექტროდებზე მდებარე იზოლაციურ ოქსიდურ და პოლიმერულ ფენებს, ინარჩუნებენ აქტიურ ზედაპირს და სტაბილურ ომურ ძაბვის ვარდნას – აქედან გამომდინარე, „პასივაციის გარეშე“ ფუნქციონირება.
• უფრო მაღალი საზღვრული მასათა გადატანა: შემცირებული საზღვრული ფენები ზრდის ლითონის გახსნისა და კოაგულანტის წარმოქმნის სიჩქარეს მოცემულ დენის სიმკვრივეზე.
• გაძლიერებული კოაგულაცია და ფლოტაცია: ულტრაბგერითი მიკრობუშტები და უფრო წვრილი H2O2 ბუშტები (ელექტროლიზიდან) ხელს უწყობენ ბირთვწარმოქმნას, აგლომერაციას და ჰიდროფობური ნაწილაკებისა და ზეთების ამწევი დაყოფას.
• დაბალი დაბინძურება კონცენტრირებულ ნალექებში: აგიტაცია ამცირებს ნალექის ფენის დაგროვებას მაღალი მყარი ნაწილაკების შემცველობის მატრიცებში, რომლებიც ტიპიურია ნალექის წყლისა და ზოგიერთი სამრეწველო ჩამდინარე წყლისთვის.

მეცნიერული მიმოხილვები მუდმივად ადასტურებს ამ სონოქიმიურ უპირატესობებს და მათ გარდაქმნას სონოელექტროქიმიურ რეაქტორებში.

პროცესის მიმდინარეობა: ქიმიური ნივთიერებების გარეშე სონოელექტროქიმიური დამუშავების ჯაჭვი

1. გაცრა და გათანაბრება: მოცილდეს მსხვილი მყარი ნაწილაკები; მოხდეს ნაკადის/დატვირთვების ბუფერირება.
2. (სურვილისამებრ) pH-ის დაყენება: ელექტროკოაგულაცია ტოლერანტულია, მაგრამ pH 6–8 ხშირად მაქსიმალურად ზრდის ლითონის ჰიდროქსიდების სპეციაციას და მავნე ნივთიერებების დაჭერას; ექსტრემალური pH-ის მქონე ნაკადები შეიძლება საჭიროებდნენ მცირე კორექციას.
3. სონო-ელექტროკოაგულაცია ნაკადის უჯრედში: ჩამდინარე წყალი გადაიტუმბება Hielscher-ის სონო-ელექტროქიმიურ რეაქტორში, რომელიც აღჭურვილია მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ელექტროდებით. უწყვეტი ულტრაბგერითი დამუშავება ინარჩუნებს ელექტროდებს აქტიურს – არ ხდება პასივაციით გამოწვეული შეჩერებები.
4. ფაზათა დაყოფა: ქვედა დინებაში განლაგებული დამწმენდი ან დამსხდარი რეზერვუარი: ლითონის ჰიდროქსიდების ფანტელები და ჩაჭერილი მავნე ნივთიერებები დასხდებიან (ან ამოტივტივდებიან) და ამოიღებიან როგორც ნალექი; დაწმენდილი წყალი გადაისხმება ან გადაიტუმბება სუფთა წყლის რეზერვუარში. გრავიტაციული დალექვა/ფლოტაცია უჯრედის შემდეგ ჩვეულებრივი პრაქტიკაა.
5. გამჭვირვალობის გაუმჯობესება (საჭიროებისამებრ): ქვიშის/UF ფილტრები ან აქტივირებული ნახშირბადი დარჩენილი სიმღვრივის/ორგანული ნივთიერებებისთვის; სურვილისამებრ დეზინფექცია.

 

ეს ვიდეო აჩვენებს ელექტროდის უშუალო ულტრაბგერითი დამუშავების დადებით გავლენას ელექტრულ დენზე. გამოყენებულია Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი UP100H (100 ვატი, 30kHz), ელექტროქიმიური დამუშავების მოდიფიკაციით და ტიტანის ელექტროდით/სონოტროდით. განზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიზისას წარმოიქმნება აირადი წყალბადი და ჟანგბადი. ულტრაბგერითი დამუშავება ამცირებს ელექტროდის ზედაპირზე დიფუზიური ფენის სისქეს და აუმჯობესებს მასაგადატანას ელექტროლიზის დროს.

 

სონო-ელექტროდები და რეაქტორები: Hielscher-ის სონო-ელექტროქიმიური ნაკადის უჯრედები

Hielscher გვთავაზობს მაღალი სიმძლავრის პრობის ტიპის გადამწოდებს და ინლაინ ნაკადის რეაქტორებს, რომლებიც აერთიანებენ ულტრაბგერას ელექტროქიმიურ უჯრედებთან. პრობები შეიძლება გამოყენებულ იქნეს ელექტროდებად ან შეერთდეს სპეციალურ EC ელექტროდებთან, რაც იძლევა მძლავრ, უწყვეტ მუშაობას სამრეწველო ნაკადის სიჩქარეებზე. მოდულური ნაკადის უჯრედები ამარტივებს მასშტაბირებას რაოდენობის გაზრდით (numbering-up) და მოდების დროის, ულტრაბგერითი ამპლიტუდისა და დენის სიმკვრივის რეგულირებით.

Hielscher-ის სონო-ელექტრო პრობები წარმატებით გამოიყენება სხვადასხვა გამოყენებისთვის, მათ შორის: 

• სამრეწველო ჩამდინარე წყლების დამუშავება
• საცურაო აუზის წყლის დამუშავება
• ჩამდინარე წყლების დამუშავება ირიგაციისთვის
• თევზის მეურნეობა (აკვაკულტურა)
• მიწისქვეშა წყლების შევსება 

ეფექტურობის დადასტურება სხვადასხვა მატრიცებზე

• სასაკლაოს/საკანალიზაციო/ორგანულით მდიდარი ჩამდინარე წყლები: ულტრაბგერით გაძლიერებულმა EC-მ გაზარდა COD-ისა და ფერის მოცილება მხოლოდ EC-თან შედარებით; ფლოტაციის სინერგია აუმჯობესებს ცხიმების მოცილებას სასაკლაოს ჩამდინარე წყლებში.
• საღებავების/ტექსტილის ჩამდინარე წყლები: SEC მუდმივად აჩვენებს უფრო მაღალ დეკოლორიზაციას და COD-ის შემცირებას ვიდრე ულტრაბგერა ან EC ცალ-ცალკე, რაც ასახავს გაუმჯობესებულ მიკროშერევის და რადიკალებით დახმარებულ გზებს.
• მძიმე ლითონები და კომპოსტის ფილტრატები: ულტრაბგერითი დამუშავება ზრდის ლითონების მოცილების კინეტიკას და ჯამურ ეფექტურობას; ჰიბრიდული SEC ზეოლიტებით კიდევ უფრო აუმჯობესებს გასუფთავებას ამონიუმის და ფერისთვის.

ელექტროდების პასივაცია – რატომ ქრება ის ულტრაბგერის ქვეშ

პასიური ფენები (მაგ., FeOOH/Al2O3, პოლიმერული ფენები, ზეთები) აფერხებს დენის განაწილებას და დროთა განმავლობაში ზრდის უჯრედის ძაბვას. სონო-ელექტროკოაგულაციის (SEC) დროს კავიტაციური მიკროჭავლები ფიზიკურად აცვდებს ფენებს in situ; აკუსტიკური ნაკადი განუწყვეტლივ ანახლებს ელექტროდთან მდებარე ხსნარს და ხელს უშლის ადგილობრივი გაუტუტიანების/დალექვის ზონების წარმოქმნას, რომლებიც პასივაციას იწყებს. SEC-ისა და ჰიბრიდული სონოელექტროქიმიის მიმოხილვები პირდაპირ მიუთითებს პასივაციის მოშლაზე, როგორც მდგრადი ეფექტურობის ძირითად მექანიზმზე.

Hielscher-ის სონო-ელექტროქიმიური ნაკადის უჯრედის რეაქტორები

Hielscher-ის პორტფოლიო მოიცავს მაღალი სიმძლავრის პრობის ტიპის სონიკატორებს, სონო-ელექტროდებსა და ულტრაბგერით ნაკადის რეაქტორებს, რომლებიც შესაფერისია სონო-ელექტროკოაგულაციისთვის. კონფიგურაციები მოიცავს პრობებს, რომლებიც მოქმედებენ ელექტროდებად, ან ინტეგრაციას სპეციალურ EC ელექტროდებთან, ინლაინ, უწყვეტი მუშაობისთვის. ეს აპარატურული არჩევანი პირდაპირ უჭერს მხარს ქიმიური ნივთიერებების გარეშე მიდგომას – გარე კოაგულანტის დოზირების გარეშე – და უზრუნველყოფს პასივაციის გარეშე მუშაობისთვის საჭირო ჰიდროდინამიკურ და აკუსტიკურ ველებს.

გამოყენების შენიშვნები ნალექის წყლისთვის, საკანალიზაციო წყლისთვის, მიწისქვეშა წყლებისთვის და სამრეწველო ჩამდინარე წყლებისთვის

• მყარი ნაწილაკების მაღალი შემცველობის ნალექის წყალი: გამოიყენეთ უფრო განიერი ნაკადის არხები და მძლავრი აგიტაცია; ულტრაბგერა ეხმარება მყარი ნაწილაკების შეწონილ მდგომარეობაში შენარჩუნებას და ელექტროდების სისუფთავეს, რაც უზრუნველყოფს უწყვეტ ფუნქციონირებას.
• საკანალიზაციო/მუნიციპალური: SEC ეფექტურია სიმღვრივის, TSS-ის, ზეთების/ცხიმების და ფერის მოსაცილებლად; ზემო დინებაში ქვიშის მოცილება იცავს ჰიდრავლიკას. დასუფთავებითი ფილტრაცია იძლევა ჩაშვებისთვის ან ხელახლა გამოყენებისთვის მზა წყალს.
• მიწისქვეშა წყლები (ლითონები, არსენი, კოლოიდები): SEC ბრწყინვალედ იჭერს მრავალვალენტიურ ლითონებს და მეტალოიდებს; ულტრაბგერა ასტაბილურებს გრძელვადიან ფუნქციონირებას მინიმალური კრისტალიზაციით.
• სამრეწველო (საღებავები, საკვები/სასმელი, ნავთობქიმია): SEC მოქმედებს ემულსიებზე და მდგრად ფერებზე; რეაქტორების რიცხვითი ზრდა Hielscher-ის ნაკადის უჯრედებში აადვილებს მასშტაბირებას ცვალებადი დატვირთვების პირობებში.

დიზაინი, წარმოება და კონსულტაცია – გერმანიაში დამზადებული ხარისხი

Hielscher-ის ულტრაბგერითი დანადგარები ცნობილია უმაღლესი ხარისხითა და დიზაინის სტანდარტებით. სიმტკიცე და მარტივი ექსპლუატაცია საშუალებას იძლევა ჩვენი ულტრაბგერითი დანადგარები შეუფერხებლად ინტეგრირდეს სამრეწველო დანადგარებში. მძიმე პირობებსა და მომთხოვნ გარემოს Hielscher-ის ულტრაბგერითი დანადგარები ადვილად უმკლავდება.

Hielscher Ultrasonics არის ISO-სერტიფიცირებული კომპანია და განსაკუთრებულ აქცენტს აკეთებს მაღალი ეფექტურობის ულტრაბგერით დანადგარებზე, რომლებიც აღჭურვილია უახლესი ტექნოლოგიითა და მომხმარებლისთვის მოხერხებულობით. რა თქმა უნდა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი დანადგარები შეესაბამება CE-ს და აკმაყოფილებს UL-ის, CSA-სა და RoHs-ის მოთხოვნებს.