น้ำสะอาดด้วยการรวมตะกอนด้วยไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์โดยไม่ใช้สารเคมี

การรวมตะกอนด้วยไฟฟ้า (EC) เป็นกระบวนการทางเคมีไฟฟ้าที่สร้างสารชนิดต่าง ๆ ที่ทำหน้าที่รวมตะกอน (เช่น Fe(OH)x, Al(OH)x) ณ จุดเกิดปฏิกิริยาจากขั้วไฟฟ้าแบบสละตัว เพื่อดักจับคอลลอยด์ อิมัลชัน โลหะ สีย้อม และสารปนเปื้อนอุบัติใหม่ การผสาน EC กับอัลตราซาวนด์กำลังสูง – “การรวมตะกอนด้วยไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์” (SEC) – ช่วยเพิ่มการถ่ายเทมวล ยับยั้งการเกิดชั้นพาสซีฟบนขั้วไฟฟ้า และเร่งการก่อตัวของฟล็อกโดยใช้พลังงานจำเพาะที่ป้อนเข้าสู่กระบวนการต่ำลง การบำบัดด้วยการรวมตะกอนด้วยไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์โดยไม่ใช้สารเคมีสามารถดำเนินการแบบไหลต่อเนื่องด้วยเครื่องปฏิกรณ์เคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ของ Hielscher ตามด้วยการแยกฟล็อกด้วยแรงโน้มถ่วงและการระบายน้ำใสออก

เหตุใดจึงผสานอัลตราซาวนด์กับการรวมตะกอนด้วยไฟฟ้า? – หลักการเชิงกลไก

ในการรวมตะกอนด้วยไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ที่ใช้ขั้วไฟฟ้าอัลตราซาวนด์ของ Hielscher โพรบอัลตราซาวนด์ทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าสำหรับการรวมตะกอนด้วยไฟฟ้าไปพร้อมกัน โดยผสานอัลตราซาวนด์กำลังสูงเข้ากับการละลายของโลหะด้วยกระบวนการเคมีไฟฟ้าโดยตรง อัลตราซาวนด์ความเข้มสูง (โดยทั่วไป ~20 kHz) ทำให้เกิดคาวิเทชันจากคลื่นเสียงในบริเวณชิดผิวขั้วไฟฟ้าที่ทำงาน การขยายตัวและการยุบตัวอย่างรุนแรงซ้ำ ๆ ของฟองคาวิเทชันก่อให้เกิดลำพุ่งของของไหลระดับจุลภาค คลื่นกระแทก และการไหลเวียนระดับจุลภาคที่รุนแรงเฉพาะจุด ตรงบริเวณที่เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าอย่างแม่นยำ
ปฏิสัมพันธ์ระหว่างการใช้อัลตราซาวนด์กับกระบวนการเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในตำแหน่งเดียวกันนี้ก่อให้เกิดผลสำคัญหลายประการ:
(i) ทำให้ชั้นการแพร่ทางเคมีไฟฟ้าบางลงอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้การถ่ายเทมวลเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ;
(ii) กำจัดฟิล์มออกไซด์และไฮดรอกไซด์ที่ทำให้เกิดชั้นพาสซีฟออกจากผิวขั้วไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง ป้องกันการสะสมคราบและการลดลงของกระแสไฟฟ้า; และ
(iii) หมุนเวียนอิเล็กโทรไลต์ใหม่เข้ามาที่รอยต่อระหว่างขั้วไฟฟ้ากับสารละลายอย่างสม่ำเสมอ รักษาความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าให้สม่ำเสมอและการสร้างสารรวมตะกอนให้คงที่
ด้วยเหตุนี้ ขั้วไฟฟ้าอัลตราซาวนด์ของ Hielscher จึงช่วยให้การรวมตะกอนด้วยไฟฟ้าดำเนินได้อย่างต่อเนื่องอย่างแท้จริง โดยไม่ต้องหยุดระบบเนื่องจากการเกิดชั้นพาสซีฟ เพิ่มประสิทธิภาพกระแสไฟฟ้า และทำให้การก่อตัวของฟล็อกโลหะไฮดรอกไซด์ ณ จุดเกิดปฏิกิริยาสม่ำเสมอยิ่งขึ้น – โดยไม่จำเป็นต้องเติมสารเคมีรวมตะกอน
สำหรับการรวมตะกอนด้วยไฟฟ้า ผลเหล่านี้นำไปสู่:

• การควบคุมการเกิดชั้นพาสซีฟ: คาวิเทชันและแรงเฉือนทำลายฟิล์มออกไซด์และพอลิเมอร์ที่เป็นฉนวนบนขั้วไฟฟ้า รักษาพื้นที่ผิวที่ทำงานและแรงดันตกคร่อมเนื่องจากความต้านทานให้คงที่ – จึงทำงานได้แบบ “ปราศจากการเกิดชั้นพาสซีฟ”
• การถ่ายเทมวลที่รอยต่อระหว่างเฟสสูงขึ้น: ชั้นขอบเขตที่บางลงช่วยเพิ่มอัตราการละลายของโลหะและการสร้างสารรวมตะกอนที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่กำหนด
• การรวมตะกอนและการลอยแยกที่ดีขึ้น: ฟองระดับจุลภาคจากอัลตราซาวนด์และฟอง H2O2 ที่ละเอียดกว่า (จากอิเล็กโทรลิซิส) ส่งเสริมการเกิดนิวเคลียส การรวมกลุ่ม และการแยกอนุภาคที่ไม่ชอบน้ำและน้ำมันด้วยแรงลอยตัว
• การสะสมคราบน้อยลงในตะกอนข้น: การกวนช่วยลดการสะสมของชั้นตะกอนในตัวกลางที่มีของแข็งสูง ซึ่งพบได้ทั่วไปในน้ำจากตะกอนและน้ำทิ้งอุตสาหกรรมบางประเภท

บทความทบทวนทางวิทยาศาสตร์บันทึกข้อได้เปรียบทางเคมีเสียงเหล่านี้และการนำไปใช้ในเครื่องปฏิกรณ์เคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์อย่างสอดคล้องกัน

ลำดับการไหลของกระบวนการ: ชุดกระบวนการบำบัดทางเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์โดยไม่ใช้สารเคมี

1. การคัดกรองและการปรับให้สม่ำเสมอ: กำจัดของแข็งหยาบ; ลดความผันผวนของการไหล/ภาระการบำบัด
2. (ทางเลือก) ค่ากำหนด pH: การรวมตะกอนด้วยไฟฟ้าทนต่อความแปรผันได้ แต่ pH 6–8 มักทำให้การกระจายรูปชนิดทางเคมีของโลหะไฮดรอกไซด์และการดักจับสารมลพิษสูงสุด; กระแสน้ำที่มีค่า pH สุดขั้วอาจต้องปรับแก้เล็กน้อย
3. การรวมตะกอนด้วยไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ในเซลล์การไหล: สูบน้ำเสียผ่านเครื่องปฏิกรณ์เคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ของ Hielscher ที่ติดตั้งขั้วไฟฟ้าอัลตราซาวนด์กำลังสูง การใช้อัลตราซาวนด์อย่างต่อเนื่องรักษาขั้วไฟฟ้าให้ทำงานได้ – ไม่ต้องหยุดระบบเนื่องจากการเกิดชั้นพาสซีฟ
4. การแยกเฟส: ถังทำใสหรือถังตกตะกอนที่อยู่ถัดไปตามการไหล: ฟล็อกโลหะไฮดรอกไซด์และสารปนเปื้อนที่ถูกห่อหุ้มจะตกตะกอน (หรือลอยตัว) และถูกนำออกในรูปตะกอน; น้ำที่ผ่านการทำใสจะถูกรินแยกหรือสูบไปยังถังน้ำสะอาด การตกตะกอน/การลอยแยกด้วยแรงโน้มถ่วงหลังเซลล์นั้นโดยทั่วไป.
5. การบำบัดขั้นเก็บรายละเอียด (ตามความจำเป็น): ตัวกรองทราย/UF หรือถ่านกัมมันต์สำหรับความขุ่น/สารอินทรีย์ที่เหลืออยู่; การฆ่าเชื้อเป็นทางเลือก

 

วิดีโอนี้แสดงผลเชิงบวกของการใช้อัลตราซาวนด์กับขั้วไฟฟ้าโดยตรงต่อกระแสไฟฟ้า โดยใช้เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิก Hielscher UP100H (100 วัตต์, 30kHz) พร้อมชุดอัปเกรดสำหรับงานเคมีไฟฟ้าและขั้วไฟฟ้า/โซโนโทรดไทเทเนียม การแยกกรดซัลฟิวริกเจือจางด้วยไฟฟ้าทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยลดความหนาของชั้นการแพร่ที่ผิวขั้วไฟฟ้าและเพิ่มการถ่ายเทมวลระหว่างการแยกด้วยไฟฟ้า

 

ขั้วไฟฟ้าอัลตราซาวนด์และเครื่องปฏิกรณ์: เซลล์การไหลเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ของ Hielscher

Hielscher มีทรานสดิวเซอร์แบบโพรบกำลังสูงและเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลในสายการผลิตที่ผสานอัลตราซาวนด์เข้ากับเซลล์เคมีไฟฟ้า โพรบสามารถกำหนดให้ทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าหรือใช้งานร่วมกับขั้วไฟฟ้า EC โดยเฉพาะ เพื่อให้ทำงานได้อย่างทนทานและต่อเนื่องที่อัตราการไหลระดับอุตสาหกรรม เซลล์การไหลแบบโมดูลาร์ช่วยให้การขยายขนาดง่ายขึ้นด้วยการเพิ่มจำนวนหน่วยและการปรับเวลาพำนัก แอมพลิจูดอัลตราซาวนด์ และความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า

โพรบเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ของ Hielscher ถูกนำไปใช้อย่างประสบความสำเร็จในงานต่าง ๆ รวมถึง: 

• การบำบัดน้ำเสียอุตสาหกรรม
• การบำบัดน้ำสระว่ายน้ำ
• การบำบัดน้ำเสียเพื่อการชลประทาน
• การเลี้ยงปลา (การเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ)
• การเติมน้ำใต้ดิน 

หลักฐานประสิทธิภาพในตัวกลางประเภทต่าง ๆ

• น้ำเสียจากโรงฆ่าสัตว์/สิ่งปฏิกูล/น้ำเสียที่มีสารอินทรีย์สูง: EC ที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มการกำจัด COD และสีเมื่อเทียบกับ EC เพียงอย่างเดียว; การเสริมฤทธิ์ร่วมกับการลอยแยกช่วยปรับปรุงการกำจัดไขมันในกระแสน้ำเสียจากโรงฆ่าสัตว์
• น้ำทิ้งจากสีย้อม/สิ่งทอ: มีรายงานอย่างสม่ำเสมอว่า SEC ให้การกำจัดสีและการลด COD สูงกว่าการใช้อัลตราซาวนด์หรือ EC เพียงอย่างใดอย่างหนึ่ง ซึ่งสะท้อนถึงการผสมระดับจุลภาคที่ดีขึ้นและวิถีปฏิกิริยาที่มีอนุมูลช่วย
• น้ำชะที่มีโลหะหนักและน้ำชะจากปุ๋ยหมัก: การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มอัตราการกำจัดโลหะและประสิทธิภาพโดยรวม; SEC แบบผสมผสานกับซีโอไลต์ช่วยปรับปรุงการบำบัดขั้นเก็บรายละเอียดเพื่อกำจัดแอมโมเนียมและสีเพิ่มเติม

การเกิดชั้นพาสซีฟบนขั้วไฟฟ้า – เหตุใดจึงหายไปภายใต้อัลตราซาวนด์

ชั้นพาสซีฟ (เช่น FeOOH/Al2O3 ฟิล์มพอลิเมอร์ น้ำมัน) ขัดขวางการกระจายกระแสไฟฟ้าและทำให้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์สูงขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ในการรวมตะกอนด้วยไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ (SEC) ลำพุ่งระดับจุลภาคจากคาวิเทชันขัดฟิล์มออกทางกายภาพ ณ จุดเกิดปฏิกิริยา; การไหลเวียนที่เกิดจากคลื่นเสียงหมุนเวียนสารละลายใหม่เข้ามาใกล้ขั้วไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง ป้องกันการเกิดบริเวณที่มีความเป็นด่างเพิ่มขึ้น/การตกตะกอนเฉพาะจุด ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการเกิดชั้นพาสซีฟ บทความทบทวนเกี่ยวกับ SEC และเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์แบบผสมผสานระบุอย่างชัดเจนว่าการทำลายชั้นพาสซีฟเป็นกลไกหลักในการรักษาประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง

เครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ของ Hielscher

กลุ่มผลิตภัณฑ์ของ Hielscher ครอบคลุมเครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบกำลังสูง ขั้วไฟฟ้าอัลตราซาวนด์ และเครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์แบบไหลผ่านที่เหมาะสำหรับการรวมตะกอนด้วยไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ รูปแบบการติดตั้งประกอบด้วยโพรบที่ทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าหรือการผสานเข้ากับขั้วไฟฟ้า EC โดยเฉพาะ ซึ่งออกแบบให้ทำงานต่อเนื่องในสายการผลิต การเลือกฮาร์ดแวร์เช่นนี้สนับสนุนแนวคิดการไม่ใช้สารเคมีโดยตรง – ไม่มีการจ่ายสารรวมตะกอนจากภายนอก – พร้อมทั้งสร้างสนามอุทกพลศาสตร์และสนามเสียงที่จำเป็นสำหรับการทำงานโดยปราศจากการเกิดชั้นพาสซีฟ

ข้อแนะนำในการใช้งานสำหรับน้ำจากตะกอน น้ำเสียจากสิ่งปฏิกูล น้ำใต้ดิน และน้ำทิ้งอุตสาหกรรม

• น้ำจากตะกอนที่มีของแข็งสูง: ใช้ช่องทางการไหลที่กว้างขึ้นและการกวนที่แรงเพียงพอ; อัลตราซาวนด์ช่วยรักษาของแข็งให้แขวนลอยและขั้วไฟฟ้าให้สะอาด ทำให้ทำงานได้อย่างต่อเนื่อง
• น้ำเสียจากสิ่งปฏิกูล/ชุมชน: SEC มีประสิทธิภาพในการจัดการความขุ่น TSS น้ำมัน/ไขมัน และสี; การกำจัดกรวดทรายก่อนเข้ากระบวนการช่วยปกป้องระบบการไหลของน้ำ การกรองขั้นเก็บรายละเอียดให้น้ำที่พร้อมระบายทิ้งหรือนำกลับมาใช้ใหม่
• น้ำใต้ดิน (โลหะ สารหนู คอลลอยด์): SEC มีประสิทธิภาพโดดเด่นในการดักจับโลหะหลายเวเลนซ์และธาตุกึ่งโลหะ; อัลตราซาวนด์ช่วยให้การทำงานระยะยาวมีเสถียรภาพโดยมีการเกิดตะกรันน้อยที่สุด
• อุตสาหกรรม (สีย้อม อาหาร/เครื่องดื่ม ปิโตรเคมี): SEC จัดการอิมัลชันและสีที่กำจัดได้ยาก; การเพิ่มจำนวนเครื่องปฏิกรณ์ในเซลล์การไหลของ Hielscher ช่วยให้การขยายขนาดภายใต้ภาระการบำบัดที่แปรผันง่ายขึ้น

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นที่รู้จักดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบระดับสูงสุด ความทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้ผสานเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher รับมือกับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดการทำงานสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์ประสิทธิภาพสูงที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher สอดคล้องกับ CE และเป็นไปตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs