Čista voda s sonoelektrokoagulacijo brez kemikalij

Elektrokoagulacija (EC) je elektrokemijski proces, pri katerem se iz žrtvenih elektrod in situ tvorijo koagulacijske zvrsti (npr. Fe(OH)x, Al(OH)x), ki zajemajo koloide, emulzije, kovine, barvila in novodobna onesnaževala. Povezovanje EC z visokozmogljivim ultrazvokom – »sonoelektrokoagulacija« (SEC) – okrepi prenos snovi, zavira pasivacijo elektrod in pospeši nastajanje kosmov pri manjšem specifičnem vnosu energije. Sonoelektrokoagulacijsko obdelavo brez kemikalij je mogoče izvajati v neprekinjenem pretoku s sonoelektrokemijskimi reaktorji Hielscher, čemur sledita gravitacijsko ločevanje kosmov in odvajanje bistre vode.

Zakaj povezati ultrazvok z elektrokoagulacijo? – Mehanistična osnova

Pri sonoelektrokoagulaciji s sonoelektrodami Hielscher ultrazvočna sonda hkrati deluje kot elektrokoagulacijska elektroda in neposredno povezuje visokozmogljivi ultrazvok z elektrokemijskim raztapljanjem kovine. Visokointenzivni ultrazvok (običajno ~20 kHz) povzroča akustično kavitacijo v neposredni bližini aktivne površine elektrode. Ponavljajoča se rast in silovit kolaps kavitacijskih mehurčkov ustvarjata lokalizirane mik curke, udarne valove in intenzivno mikrostrujanje prav tam, kjer potekajo elektrokemijske reakcije.
Ta prostorsko sovpadajoča interakcija med sonikacijo in elektrokemijskimi procesi povzroči več ključnih učinkov:
(i) neprekinjeno tanjšanje elektrokemijske difuzijske plasti, kar znatno izboljša prenos snovi;
(ii) aktivno odstranjevanje pasivacijskih oksidnih in hidroksidnih filmov s površine elektrode, kar preprečuje nalaganje oblog in upadanje toka; ter
(iii) stalno obnavljanje elektrolita na stiku med elektrodo in raztopino, kar ohranja enakomerno gostoto toka in stabilno tvorbo koagulanta.
Zato sonoelektrode Hielscher omogočajo resnično neprekinjeno elektrokoagulacijo brez zaustavitev zaradi pasivacije, izboljšan tokovni izkoristek in bolj dosledno tvorbo kosmov kovinskih hidroksidov in situ – brez potrebe po dodajanju kemičnih koagulantov.
Pri elektrokoagulaciji se ti učinki kažejo kot:

• Nadzor pasivacije: Kavitacija in strig razrušita izolacijske oksidne in polimerne filme na elektrodah ter ohranjata aktivno površino in stabilne ohmske padce napetosti – od tod delovanje »brez pasivacije«.
• Večji prenos snovi na medfazni površini: Tanjše mejne plasti povečajo hitrost raztapljanja kovine in tvorbe koagulanta pri dani gostoti toka.
• Izboljšana koagulacija in flotacija: Ultrazvočni mikromehurčki in drobnejši mehurčki H2O2 (iz elektrolize) spodbujajo nukleacijo, aglomeracijo in ločevanje hidrofobnih delcev ter olj z vzgonom.
• Manj nalaganja oblog v koncentriranih muljih: Mešanje zmanjšuje nabiranje filtracijske pogače v matricah z visoko vsebnostjo trdnih snovi, značilnih za muljno vodo in nekatere industrijske odpadne vode.

Znanstveni pregledni članki dosledno dokumentirajo te sonokemijske prednosti in njihov prenos v sonoelektrokemijske reaktorje.

Potek procesa: zaporedje sonoelektrokemijske obdelave brez kemikalij

1. Precejanje in izravnavanje: Odstranite grobe trdne delce; izravnajte pretok in obremenitve.
2. (Neobvezno) Nastavljena vrednost pH: Elektrokoagulacija dopušča odstopanja, vendar pH 6–8 pogosto omogoča največjo speciacijo kovinskih hidroksidov in največji zajem onesnaževal; tokovi z ekstremnim pH lahko potrebujejo manjši popravek.
3. Sonoelektrokoagulacija v pretočni celici: Odpadno vodo črpajte skozi sonoelektrokemijski reaktor Hielscher, opremljen z visokozmogljivimi ultrazvočnimi elektrodami. Neprekinjena ultrazvočna obdelava ohranja elektrode aktivne – brez zaustavitev zaradi pasivacije.
4. Ločevanje faz: Bistrilnik ali usedalnik za reaktorjem: kosmi kovinskih hidroksidov in vanje ujeta onesnaževala se usedejo (ali splavajo) ter se odvajajo kot mulj; zbistrena voda se dekantira ali črpa v rezervoar za čisto vodo. Gravitacijska sedimentacija/flotacija za celico je običajno.
5. Zaključna obdelava (po potrebi): Peščeni/UF-filtri ali aktivno oglje za preostalo motnost/organske snovi; neobvezna dezinfekcija.

 

Ta videoposnetek ponazarja pozitiven vpliv neposredne ultrazvočne obdelave elektrode na električni tok. Uporabljen je ultrazvočni homogenizator Hielscher UP100H (100 vatov, 30kHz) z nadgradnjo za elektrokemijo in titanovo elektrodo/sonotrodo. Pri elektrolizi razredčene žveplove kisline nastajata plinasta vodik in kisik. Ultrazvočna obdelava zmanjša debelino difuzijske plasti na površini elektrode in izboljša prenos snovi med elektrolizo.

 

Sonoelektrode in reaktorji: sonoelektrokemijske pretočne celice Hielscher

Hielscher ponuja visokozmogljive pretvornike s sondami in pretočne reaktorje za vgradnjo v procesno linijo, ki združujejo ultrazvok z elektrokemijskimi celicami. Sonde je mogoče konfigurirati kot elektrode ali povezati z namenskimi elektrodami za EC, kar omogoča robustno, neprekinjeno delovanje pri industrijskih pretokih. Modularne pretočne celice poenostavljajo povečevanje zmogljivosti s povečevanjem števila enot in prilagajanjem zadrževalnega časa, ultrazvočne amplitude ter gostote toka.

Sonoelektrosonde Hielscher se uspešno uporabljajo za različne namene, med drugim za: 

• Čiščenje industrijskih odpadnih voda
• Čiščenje bazenske vode
• Čiščenje odpadne vode za namakanje
• Ribogojstvo (akvakultura)
• Napajanje podzemne vode 

Dokazi o učinkovitosti v različnih matricah

• Odpadne vode iz klavnic/komunalne odpadne vode/odpadne vode z visoko vsebnostjo organskih snovi: EC s pomočjo ultrazvoka je povečala zmanjšanje COD in odstranjevanje obarvanosti v primerjavi s samo EC; sinergija s flotacijo izboljša odstranjevanje maščob iz tokov odpadne vode iz klavnic.
• Odpadne vode z barvili/iz tekstilne industrije: Pri SEC se dosledno poroča o večjem razbarvanju in zmanjšanju COD kot pri samem ultrazvoku ali sami EC, kar odraža izboljšano mikromešanje in reakcijske poti s pomočjo radikalov.
• Izcedne vode s težkimi kovinami in iz komposta: Sonikacija pospeši kinetiko odstranjevanja kovin in poveča celotno učinkovitost; hibridna SEC z zeoliti dodatno izboljša zaključno odstranjevanje amonija in obarvanosti.

Pasivacija elektrod – zakaj pod vplivom ultrazvoka izgine

Pasivne plasti (npr. FeOOH/Al2O3, polimerni filmi, olja) ovirajo porazdelitev toka in sčasoma povečujejo napetost celice. Pri sonoelektrokoagulaciji (SEC) kavitacijski mikrocurki mehansko odstranjujejo filme in situ; akustično strujanje neprekinjeno obnavlja raztopino v bližini elektrode in preprečuje lokalna območja alkalizacije/obarjanja, ki sprožajo pasivacijo. Pregledni članki o SEC in hibridni sonoelektrokemiji izrecno opredeljujejo razruševanje pasivacijskih plasti kot glavni mehanizem za trajno učinkovitost.

Sonoelektrokemijski reaktorji s pretočnimi celicami Hielscher

Ponudba podjetja Hielscher vključuje visokozmogljive sonikatorje s sondami, sonoelektrode in ultrazvočne pretočne reaktorje, primerne za sonoelektrokoagulacijo. Konfiguracije vključujejo sonde, ki delujejo kot elektrode, ali integracijo z namenskimi elektrodami za EC in so zasnovane za neprekinjeno delovanje v procesni liniji. Ta izbira opreme neposredno podpira načelo delovanja brez kemikalij – brez zunanjega doziranja koagulanta – ter hkrati zagotavlja hidrodinamična in akustična polja, potrebna za delovanje brez pasivacije.

Napotki za izvedbo pri muljni vodi, komunalnih odpadnih vodah, podzemni vodi in industrijskih odpadnih vodah

• Muljna voda z visoko vsebnostjo trdnih snovi: Uporabite širše pretočne kanale in močno mešanje; ultrazvok pomaga ohranjati trdne snovi v suspenziji in elektrode čiste, kar omogoča neprekinjeno delovanje.
• Kanalizacijske/komunalne odpadne vode: SEC učinkovito zmanjšuje motnost, TSS, vsebnost olj/maščob in obarvanost; predhodno odstranjevanje peska ščiti hidravlični sistem. Zaključna filtracija zagotavlja vodo, pripravljeno za izpust ali ponovno uporabo.
• Podzemna voda (kovine, arzen, koloidi): SEC se odlikuje pri zajemanju večvalentnih kovin in polkovin; ultrazvok stabilizira dolgoročno delovanje z minimalnim nastajanjem mineralnih oblog.
• Industrijske odpadne vode (barvila, živila/pijače, petrokemija): SEC obravnava emulzije in težko odstranljivo obarvanost; povečevanje števila reaktorjev s pretočnimi celicami Hielscher poenostavlja povečevanje zmogljivosti pri spremenljivih obremenitvah.

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključevanje naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO, ki daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Seveda so ultrazvočne naprave Hielscher skladne s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.