Чистая вода благодаря соноэлектрокоагуляции без применения химических реагентов

Электрокоагуляция (EC) – это электрохимический процесс, при котором из расходуемых электродов in situ образуются коагулирующие частицы (например, Fe(OH)x, Al(OH)x), улавливающие коллоиды, эмульсии, металлы, красители и новые загрязняющие вещества. Сочетание EC с мощным ультразвуком – «соноэлектрокоагуляция» (SEC) – интенсифицирует массоперенос, подавляет пассивацию электродов и ускоряет образование хлопьев при меньших удельных энергозатратах. Обработку методом соноэлектрокоагуляции без применения химических реагентов можно проводить в непрерывном потоке с помощью соноэлектрохимических реакторов Hielscher с последующим гравитационным отделением хлопьев и отводом осветлённой воды.

Зачем сочетать ультразвук с электрокоагуляцией? – Механизмы взаимодействия

При соноэлектрокоагуляции с использованием соноэлектродов Hielscher ультразвуковой зонд одновременно служит электродом для электрокоагуляции, непосредственно сочетая мощный ультразвук с электрохимическим растворением металла. Ультразвук высокой интенсивности (обычно ~20 kHz) вызывает акустическую кавитацию в непосредственной близости от активной поверхности электрода. Многократный рост и резкое схлопывание кавитационных пузырьков создают локальные микроструи, ударные волны и интенсивные микропотоки именно там, где происходят электрохимические реакции.
Такое взаимодействие обработки ультразвуком и электрохимических процессов в одной и той же области обеспечивает несколько важнейших эффектов:
(i) непрерывное уменьшение толщины электрохимического диффузионного слоя, значительно усиливающее массоперенос;
(ii) активное удаление пассивирующих оксидных и гидроксидных плёнок с поверхности электрода, предотвращающее загрязнение поверхности и снижение тока; и
(iii) постоянное обновление электролита на границе раздела электрод–раствор, поддерживающее равномерную плотность тока и стабильное образование коагулянта.
В результате соноэлектроды Hielscher обеспечивают действительно непрерывную электрокоагуляцию без остановок из-за пассивации, повышенный выход по току и более стабильное образование хлопьев гидроксидов металлов in situ – без необходимости добавления химического коагулянта.
Для электрокоагуляции эти эффекты означают:

• Контроль пассивации: Кавитация и сдвиг разрушают изолирующие оксидные и полимерные плёнки на электродах, сохраняя активную площадь и стабильные омические падения напряжения – отсюда работа «без пассивации».
• Усиленный межфазный массоперенос: Уменьшение толщины пограничных слоёв повышает скорость растворения металла и образования коагулянта при заданной плотности тока.
• Усиленная коагуляция и флотация: Ультразвуковые микропузырьки и более мелкие пузырьки H2O2 (образующиеся при электролизе) способствуют зародышеобразованию, агломерации и отделению гидрофобных частиц и масел за счёт всплывания.
• Меньшее загрязнение в концентрированных осадках: перемешивание уменьшает накопление слоя осадка в средах с высоким содержанием твёрдых веществ, характерных для иловой воды и некоторых промышленных стоков.

Научные обзоры последовательно подтверждают эти сонохимические преимущества и их реализацию в соноэлектрохимических реакторах.

Технологическая схема: соноэлектрохимическая линия обработки без применения химических реагентов

1. Процеживание и усреднение: удаление крупных твёрдых частиц; сглаживание колебаний расхода и нагрузок.
2. (Необязательно) Заданное значение pH: электрокоагуляция допускает колебания pH, однако pH 6–8 часто обеспечивает максимальную специацию гидроксидов металлов и улавливание загрязняющих веществ; потоки с экстремальными значениями pH могут потребовать небольшой корректировки.
3. Соноэлектрокоагуляция в проточной ячейке: прокачивайте сточную воду через соноэлектрохимический реактор Hielscher, оснащённый мощными ультразвуковыми электродами. Непрерывная обработка ультразвуком поддерживает электроды в активном состоянии – без остановок из-за пассивации.
4. Разделение фаз: расположенный далее по потоку осветлитель или отстойник: хлопья гидроксидов металлов и заключённые в них загрязняющие вещества оседают (или всплывают) и удаляются в виде осадка; осветлённую воду декантируют или перекачивают в резервуар для чистой воды. Гравитационное осаждение/флотация после ячейки обычно.
5. Доочистка (по необходимости): песчаные/ультрафильтрационные фильтры или активированный уголь для устранения остаточной мутности и органических веществ; необязательное обеззараживание.

 

В этом видео показано положительное влияние непосредственной ультразвуковой обработки электрода на электрический ток. Используется ультразвуковой гомогенизатор Hielscher UP100H (100 ватт, 30kHz) с модификацией для электрохимических процессов и титановым электродом-сонотродом. При электролизе разбавленной серной кислоты образуются газообразные водород и кислород. Ультразвуковая обработка уменьшает толщину диффузионного слоя на поверхности электрода и улучшает массоперенос при электролизе.

 

Соноэлектроды и реакторы: соноэлектрохимические проточные ячейки Hielscher

Hielscher предлагает мощные преобразователи зондового типа и встраиваемые в линию проточные реакторы, объединяющие ультразвук с электрохимическими ячейками. Зонды можно сконфигурировать как электроды или сочетать со специализированными электродами для EC, обеспечивая надёжную непрерывную работу при промышленных расходах. Модульные проточные ячейки упрощают масштабирование за счёт увеличения числа модулей и регулирования времени пребывания, амплитуды ультразвуковых колебаний и плотности тока.

Соноэлектрозонды Hielscher успешно применяются для различных задач, включая: 

• Очистка промышленных сточных вод
• Очистка воды плавательных бассейнов
• Очистка сточных вод для орошения
• Рыбоводство (аквакультура)
• Пополнение запасов подземных вод 

Подтверждение эффективности в различных средах

• Стоки скотобоен/канализационные стоки/сточные воды с высоким содержанием органических веществ: EC с ультразвуковым воздействием обеспечивала более выраженное снижение ХПК и цветности по сравнению с одной лишь EC; синергетическое действие флотации улучшает удаление жиров из стоков скотобоен.
• Стоки производства красителей/текстильной промышленности: Для SEC систематически отмечаются более высокая степень обесцвечивания и более выраженное снижение ХПК, чем при использовании только ультразвука или только EC, что отражает улучшенное микроперемешивание и пути реакций с участием радикалов.
• Фильтраты с тяжёлыми металлами и фильтраты компоста: Обработка ультразвуком ускоряет кинетику удаления металлов и повышает общую эффективность; гибридная SEC с цеолитами дополнительно улучшает доочистку по аммонию и цветности.

Пассивация электродов – почему она исчезает под действием ультразвука

Пассивирующие слои (например, FeOOH/Al2O3, полимерные плёнки, масла) препятствуют распределению тока и со временем повышают напряжение на ячейке. При соноэлектрокоагуляции (SEC) кавитационные микроструи механически истирают плёнки in situ; акустические потоки непрерывно обновляют раствор вблизи электродов, предотвращая образование локальных зон подщелачивания/осаждения, которые инициируют пассивацию. Обзоры SEC и гибридной соноэлектрохимии прямо указывают на разрушение пассивирующих слоёв как на основной механизм поддержания стабильной эффективности.

Соноэлектрохимические реакторы Hielscher на основе проточных ячеек

Ассортимент Hielscher включает мощные ультразвуковые аппараты зондового типа, соноэлектроды и ультразвуковые проточные реакторы, подходящие для соноэлектрокоагуляции. Конфигурации предусматривают зонды, выполняющие функцию электродов, или интеграцию со специализированными электродами для EC и предназначены для непрерывной работы в линии. Такой выбор оборудования непосредственно поддерживает принцип обработки без применения химических реагентов – без дозирования коагулянтов извне – и одновременно обеспечивает гидродинамические и акустические поля, необходимые для работы без пассивации.

Рекомендации по внедрению для иловой воды, канализационных стоков, подземных вод и промышленных стоков

• Иловая вода с высоким содержанием твёрдых веществ: Используйте более широкие проточные каналы и интенсивное перемешивание; ультразвук помогает поддерживать твёрдые частицы во взвешенном состоянии и чистоту электродов, обеспечивая непрерывную работу.
• Канализационные/коммунальные стоки: SEC эффективна для снижения мутности, общего содержания взвешенных веществ (TSS), содержания масел/жиров и цветности; предварительное удаление песка защищает гидравлическую систему. Фильтрационная доочистка обеспечивает воду, пригодную для сброса или повторного использования.
• Подземные воды (металлы, мышьяк, коллоиды): SEC отличается высокой эффективностью улавливания многовалентных металлов и металлоидов; ультразвук стабилизирует длительную работу при минимальном образовании отложений.
• Промышленные стоки (красители, пищевая промышленность/производство напитков, нефтехимия): SEC позволяет обрабатывать эмульсии и устранять устойчивую цветность; увеличение числа реакторов на основе проточных ячеек Hielscher упрощает масштабирование при переменных нагрузках.

Проектирование, производство и консультации – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher широко известны высочайшим качеством и стандартами проектирования. Надёжность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями и требовательными производственными средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся передовыми технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.