การใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์: การเสริมฤทธิ์ระหว่างโซโนเคมีและการใช้โอโซนเพื่อออกซิเดชันขั้นสูง

การใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์เป็นกระบวนการออกซิเดชันขั้นสูงที่ผสานอัลตราซาวนด์กับการใช้โอโซนไว้ในระบบบำบัดเดียวกัน แม้เทคโนโลยีทั้งสองจะมีประสิทธิภาพเมื่อใช้แยกกัน แต่การใช้พร้อมกันมักให้ผลที่แรงกว่าการใช้วิธีใดวิธีหนึ่งเพียงอย่างเดียว การเสริมฤทธิ์นี้มีคุณค่าเป็นพิเศษในงานด้านสิ่งแวดล้อม ซึ่งจำเป็นต้องย่อยสลายสารมลพิษอินทรีย์ที่ตกค้างยาวนาน จุลินทรีย์ สารให้สี ยา สารกำจัดศัตรูพืช สารเคมีอุตสาหกรรม และสารปนเปื้อนอื่น ๆ อย่างมีประสิทธิภาพ การผสานคาวิเทชันจากคลื่นเสียงกับเคมีของโอโซนทำให้การใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์เพิ่มการเกิดอนุมูลอิสระ ปรับปรุงการถ่ายเทมวล และเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันในตัวกลางของเหลว

การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงการใช้โอโซนได้อย่างไร?

หลักการของการใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์อาศัยอันตรกิริยาระหว่างคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์กับการสลายตัวของโอโซน เมื่อส่งอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเข้าสู่ของเหลว วัฏจักรการอัดและการขยายตัวที่สลับกันจะก่อให้เกิดฟองคาวิเทชันขนาดจุลภาค ฟองเหล่านี้ขยายตัวและยุบตัวอย่างรุนแรง ทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ซึ่งมีอุณหภูมิและความดันสูงอย่างยิ่งในช่วงเวลาสั้นมาก ภายใต้สภาวะรุนแรงเหล่านี้ โมเลกุลของน้ำสามารถแตกตัวเป็นอนุมูลไฮดรอกซิลที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง อนุมูลเหล่านี้จัดอยู่ในกลุ่มสารออกซิไดซ์แบบไม่เลือกจำเพาะที่มีฤทธิ์สูงที่สุดในระบบที่มีน้ำเป็นตัวกลาง และสามารถเข้าทำปฏิกิริยากับสารประกอบอินทรีย์ได้หลากหลายชนิด

ข้อดีของการใช้โอโซนโดยมีอัลตราซาวนด์ช่วย

โอโซนเป็นสารออกซิไดซ์ที่มีฤทธิ์สูงเช่นกัน และใช้กันอย่างแพร่หลายในการบำบัดน้ำและน้ำเสีย โอโซนสามารถทำปฏิกิริยาโดยตรงกับสารปนเปื้อนบางชนิด หรือสลายตัวในน้ำเพื่อสร้างสารออกซิไดซ์ทุติยภูมิ เช่น อนุมูลไฮดรอกซิล อย่างไรก็ตาม การใช้โอโซนอาจมีข้อจำกัดจากการถ่ายเทมวลระหว่างก๊าซกับของเหลว ความสามารถในการละลายของโอโซน และความเลือกจำเพาะของปฏิกิริยาโดยตรงของโอโซน อัลตราซาวนด์ช่วยเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ คาวิเทชันช่วยปรับปรุงการกระจายตัวของก๊าซโอโซนในของเหลว ลดขนาดฟอง ทำให้ผิวสัมผัสระหว่างก๊าซกับของเหลวเกิดใหม่อย่างต่อเนื่อง และส่งเสริมการผสมระดับจุลภาคแบบปั่นป่วน ส่งผลให้โอโซนละลายได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและสลายตัวเป็นอนุมูลชนิดต่าง ๆ ที่ไวต่อปฏิกิริยาได้ง่ายขึ้น

ผลจากการทำงานร่วมกันคือสภาวะแวดล้อมสำหรับออกซิเดชันที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ในการใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์ โมเลกุลของโอโซนอาจเข้าสู่ฟองคาวิเทชันหรือสะสมอยู่ใกล้ผิวสัมผัสของฟอง ซึ่งจะได้รับสภาวะทางความร้อนและทางกลที่รุนแรงขณะฟองยุบตัว สิ่งนี้เร่งการสลายตัวของโอโซนและเพิ่มการเกิดอนุมูลไฮดรอกซิลและออกซิเจนชนิดอื่น ๆ ที่ไวต่อปฏิกิริยา กระบวนการนี้จึงเพิ่มอัตราการย่อยสลายสารมลพิษอินทรีย์ และสามารถลดเวลาบำบัดเมื่อเทียบกับการใช้โอโซนแบบทั่วไป ในการใช้งานหลายประเภท การใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์ยังช่วยเพิ่มการเปลี่ยนสารอินทรีย์เป็นสารอนินทรีย์ ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลอินทรีย์ไม่ได้เพียงเปลี่ยนเป็นสารประกอบตัวกลางเท่านั้น แต่ยังถูกออกซิไดซ์ต่อไปจนมุ่งสู่การเกิดคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และไอออนอนินทรีย์

ข้อดีที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของการใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์คือความสามารถในการบำบัดสารประกอบที่ทนต่อออกซิเดชันแบบทั่วไป สารปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมหลายชนิด รวมถึงสีย้อม สารประกอบฟีนอล สารเคมีรบกวนระบบต่อมไร้ท่อ สารตกค้างจากยา และสารลดแรงตึงผิว อาจกำจัดให้หมดได้ยาก โอโซนอาจทำปฏิกิริยาอย่างเลือกจำเพาะกับหมู่ที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่น ขณะที่อนุมูลอิสระที่เกิดจากอัลตราซาวนด์สามารถเข้าทำปฏิกิริยากับตำแหน่งบนโมเลกุลที่มีความเลือกจำเพาะน้อยกว่า การใช้ร่วมกันช่วยขยายความหลากหลายของวิถีออกซิเดชันและเพิ่มโอกาสในการสลายสารปนเปื้อน จึงทำให้การใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์เป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับการบำบัดน้ำเสีย การปรับปรุงคุณภาพน้ำดื่มขั้นสุดท้าย การบำบัดน้ำชะขยะ การนำน้ำในกระบวนการกลับมาใช้ใหม่ และการฟื้นฟูกระแสน้ำที่ปนเปื้อน

การย่อยสลาย p-nitrophenol ตามจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งจากการใช้อัลตราซาวนด์ร่วมกับ O2 การใช้โอโซน และการใช้โอโซนร่วมกับการสลายด้วยคลื่นเสียง อัตราการไหลของก๊าซ O3 เท่ากับ 40 ml/min, pH=3, T=298 K ความเข้มข้นเริ่มต้นของ p-nitrophenol เท่ากับ 50 mg/L กำลังอัลตราซาวนด์ที่ทรานสดิวเซอร์สร้างขึ้นเท่ากับ 125 W
กราฟและการศึกษา: ©Xu et al., 2005

การประยุกต์ใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์

การใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์มีความเกี่ยวข้องอย่างมากกับการทำให้จุลินทรีย์หมดฤทธิ์ อัลตราซาวนด์สามารถทำลายเซลล์จุลินทรีย์ทางกายภาพผ่านแรงเฉือน ลำพุ่งระดับจุลภาค คลื่นกระแทก และการเปลี่ยนแปลงความดันเฉพาะที่ ในขณะเดียวกัน โอโซนจะออกซิไดซ์ผนังเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์ เอนไซม์ และสารพันธุกรรม เมื่อใช้ทั้งสองวิธีร่วมกัน ฤทธิ์ต้านจุลินทรีย์อาจเพิ่มขึ้น คาวิเทชันอาจทำให้โครงสร้างเซลล์อ่อนแอลงหรือเสียหาย ทำให้โอโซนและอนุมูลชนิดต่าง ๆ เข้าทำปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น การทำงานร่วมกันนี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการฆ่าเชื้อต่อแบคทีเรีย เชื้อรา สาหร่าย และจุลินทรีย์อื่น ๆ สำหรับการใช้งานที่ต้องการทั้งการควบคุมจุลินทรีย์และการย่อยสลายสารปนเปื้อนอินทรีย์ การใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์เป็นแนวทางบำบัดอเนกประสงค์ที่มีประสิทธิภาพสูง

นอกเหนือจากการย่อยสลายทางเคมีและฤทธิ์ต้านจุลินทรีย์แล้ว การใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์ยังสามารถปรับปรุงสมบัติทางกายภาพและเคมีของของเหลวที่ผ่านการบำบัด คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์เพิ่มความเข้มของการผสม ส่งเสริมการไล่ก๊าซและการกระจายตัวของก๊าซ และเพิ่มการสัมผัสระหว่างสารออกซิไดซ์กับสารปนเปื้อน ผลเหล่านี้สามารถช่วยลดสี กลิ่น ความต้องการออกซิเจนทางเคมี ความขุ่น และส่วนของสารอินทรีย์บางชนิดที่ย่อยสลายได้ยาก ในบางกระบวนการ การใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์ยังสามารถปรับปรุงการบำบัดขั้นต่อไปโดยเปลี่ยนสารที่ตกค้างยาวนานให้เป็นสารประกอบที่ย่อยสลายทางชีวภาพได้ง่ายขึ้น จึงเพิ่มประสิทธิภาพของขั้นตอนการบำบัดทางชีวภาพ

เครื่องปฏิกรณ์แบบปิดเพื่อการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพและการขยายขนาดได้ง่าย

ข้อดีในทางปฏิบัติของการใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์คือสามารถนำไปใช้ในระบบเครื่องปฏิกรณ์แบบปิดได้ เครื่องอัลตราซาวนด์ชนิดโพรบของ Hielscher เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผสานระบบลักษณะนี้ เพราะส่งอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเข้าสู่ของเหลวโดยตรงผ่านโซโนโทรดไทเทเนียม สามารถติดตั้งโพรบในภาชนะปิดหรือเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่านโดยใช้ช่องต่อ หน้าแปลน หรือข้อต่อที่เหมาะสม ในเวลาเดียวกัน สามารถป้อนโอโซนผ่านช่องก๊าซเข้า อุปกรณ์กระจายก๊าซ อุปกรณ์เติมก๊าซเป็นฟอง หรือวงจรหมุนเวียนกลับ วิธีนี้ทำให้อัลตราซาวนด์และโอโซนทำงานพร้อมกันภายในปริมาตรปฏิกิริยาเดียวกัน

การจัดระบบเช่นนี้ทำได้ง่ายและสามารถขยายขนาดได้ เครื่องปฏิกรณ์แบบปิดบรรจุของเหลวที่จะบำบัด ขณะที่โพรบอัลตราซาวนด์ถ่ายโอนพลังงานเสียงเข้าสู่ตัวกลางโดยตรง โอโซนไหลผ่านเครื่องปฏิกรณ์อย่างต่อเนื่องหรือเป็นช่วง ๆ ตามข้อกำหนดของกระบวนการ อัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงการกระจายตัวของโอโซนและการสัมผัสกับเฟสของเหลว ส่วนการจัดระบบแบบปิดช่วยกักโอโซนไว้อย่างปลอดภัยและทำให้สามารถจัดการก๊าซที่ระบายออกได้อย่างมีการควบคุม สามารถส่งโอโซนส่วนเกินไปยังอุปกรณ์ทำลายโอโซนหรือระบบบำบัดก๊าซระบายที่เหมาะสม พารามิเตอร์การเดินระบบที่สำคัญ ได้แก่ แอมพลิจูดอัลตราซาวนด์ กำลังที่ป้อนเข้า เวลาบำบัด ความเข้มข้นของโอโซน อัตราการไหลของก๊าซ อุณหภูมิ ความดัน pH และรูปทรงเรขาคณิตของเครื่องปฏิกรณ์

เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher สำหรับการใช้โอโซนและออกซิเดชันขั้นสูง

เครื่องอัลตราซาวนด์ชนิดโพรบของ Hielscher สามารถใช้ในกระบวนการใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์แบบเป็นชุดหรือแบบต่อเนื่องได้ ในการพัฒนาระดับห้องปฏิบัติการ เครื่องอัลตราซาวนด์ขนาดกะทัดรัดช่วยให้นักวิจัยประเมินจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา การย่อยสลายสารมลพิษ และการลดจำนวนจุลินทรีย์ภายใต้สภาวะที่ควบคุมได้ สำหรับการดำเนินงานระดับนำร่องและระดับอุตสาหกรรม สามารถผสานระบบอัลตราซาวนด์ที่มีกำลังสูงกว่าเข้ากับถังขนาดใหญ่ขึ้นหรือเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่องได้ เนื่องจากการใช้อัลตราซาวนด์ชนิดโพรบส่งพลังงานเข้าสู่ของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการที่ต้องการคาวิเทชันรุนแรงและความสามารถในการทำซ้ำที่เชื่อถือได้

การใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์เป็นวิธีเสริมฤทธิ์ที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งผสานฤทธิ์ออกซิเดชันทางเคมีของโอโซนกับผลทางกายภาพและทางโซโนเคมีของอัลตราซาวนด์ กระบวนการนี้เพิ่มการเกิดอนุมูลอิสระ ปรับปรุงการถ่ายเทมวลระหว่างก๊าซกับของเหลว เร่งการย่อยสลายสารปนเปื้อน และเพิ่มฤทธิ์ต้านจุลินทรีย์ ความเข้ากันได้กับเครื่องปฏิกรณ์แบบปิดและการผสานเครื่องอัลตราซาวนด์ชนิดโพรบของ Hielscher เข้าระบบโดยตรงทำให้การใช้โอโซนร่วมกับอัลตราซาวนด์เป็นแนวทางที่ใช้งานได้จริงและหลากหลายสำหรับการบำบัดด้านสิ่งแวดล้อม การทำน้ำให้บริสุทธิ์ การฟื้นฟูคุณภาพน้ำเสีย และการประยุกต์ใช้กระบวนการออกซิเดชันขั้นสูง

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา:

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพจากการผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบระดับสูงที่สุด ความทนทานและการใช้งานง่ายช่วยให้ผสานเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher รับมือกับสภาวะรุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่มีเทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นไปตามข้อกำหนด CE และตรงตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• Moretti, A., E. Gover, G. Bisson, C. Comuzzi, D. Goi, M. Marino (2026): Evaluating Low-Frequency Ultrasound as a Pretreatment to Improve Ozonation Antimicrobial Efficacy in Urban Wastewater Treatment. Water Environment Research 98, no. 3: e70322.
• Rossi, G., Mainardis, M., Aneggi, E. et al. (2021): Combined ultrasound-ozone treatment for reutilization of primary effluent – a preliminary study. Environmental Science and Pollution Research 28, 2021. 700–710.
• Xu XW, Shi HX, Wang DH. (2005): Ozonation with ultrasonic enhancement of p-nitrophenol wastewater. J Zhejiang Univ Sci B. 2005 May;6(5):319-323.