โซโน-โอโซเนชัน: การทำงานร่วมกันของโซโนเคมีและการโอโซเนชันเพื่อการออกซิเดชันขั้นสูง

โซโน-โอโซเนชั่น เป็นกระบวนการออกซิเดชันขั้นสูงที่ผสมผสานการใช้คลื่นเสียงความถี่สูงกับการใช้โอโซนในระบบการบำบัดเพียงระบบเดียว แม้ว่าทั้งสองเทคโนโลยีจะมีประสิทธิภาพเมื่อใช้แยกกัน แต่การใช้ทั้งสองเทคโนโลยีร่วมกันมักให้ผลลัพธ์ที่แข็งแกร่งกว่าการใช้แต่ละวิธีเพียงอย่างเดียว การประสานพลังนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านการประยุกต์ใช้ทางสิ่งแวดล้อม ที่ซึ่งสารมลพิษอินทรีย์ที่คงตัว, จุลินทรีย์, สารให้สี, ยา, ยาฆ่าแมลง, สารเคมีอุตสาหกรรม, และสารปนเปื้อนอื่น ๆ จำเป็นต้องถูกทำลายอย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยการผสานการเกิดฟองเสียงกับเคมีของโอโซน, การสร้างโอโซนด้วยเสียง (โซโน-โอโซเนชั่น) ช่วยเพิ่มการสร้างอนุมูลอิสระ, ปรับปรุงการถ่ายเทมวล, และเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันในสื่อเหลว

การสั่นด้วยคลื่นเสียงช่วยปรับปรุงการโอโซไนต์ได้อย่างไร?

หลักการของการใช้คลื่นเสียงอัลตราโซนิกกับโอโซน (sono-ozonation) ขึ้นอยู่กับการปฏิสัมพันธ์ระหว่างปรากฏการณ์คาวิเทชันจากคลื่นเสียงอัลตราโซนิกและการสลายตัวของโอโซน เมื่อคลื่นเสียงอัลตราโซนิกความเข้มสูงถูกนำเข้าสู่ของเหลว วงจรการบีบอัดและคลายตัวสลับกันจะก่อให้เกิดฟองอากาศขนาดเล็กมากในของเหลว ฟองอากาศเหล่านี้จะขยายตัวและยุบตัวอย่างรุนแรง ส่งผลให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ซึ่งมีอุณหภูมิและความดันสูงมากในช่วงเวลาสั้น ๆ ภายใต้สภาวะสุดขั้วเหล่านี้ โมเลกุลของน้ำสามารถแยกตัวออกเป็นอนุมูลไฮดรอกซิลที่มีปฏิกิริยาสูงได้ อนุมูลเหล่านี้เป็นหนึ่งในสารออกซิไดซ์ที่ไม่เลือกเป้าหมายที่ทรงพลังที่สุดในระบบการละลายน้ำ และสามารถโจมตีสารประกอบอินทรีย์ได้หลากหลายชนิด

ข้อดีของการใช้คลื่นเสียงความถี่สูงช่วยในการเติมโอโซน

โอโซนยังเป็นสารออกซิไดซ์ที่แรงมาก และถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการบำบัดน้ำและน้ำเสีย. มันสามารถทำปฏิกิริยาโดยตรงกับสารปนเปื้อนบางชนิด หรือสลายตัวในน้ำเพื่อสร้างสารออกซิไดซ์รอง เช่น ไฮดรอกซิลเรดิคัล. อย่างไรก็ตาม การโอโซนอาจถูกจำกัดโดยการถ่ายโอนมวลระหว่างก๊าซกับของเหลว ความสามารถในการละลายของโอโซน และความจำเพาะของปฏิกิริยาโดยตรงของโอโซน อัลตราซาวนด์ช่วยเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ได้ การเกิดคาวิเทชันช่วยปรับปรุงการกระจายตัวของก๊าซโอโซนในของเหลว ลดขนาดของฟองอากาศ ฟื้นฟูผิวสัมผัสระหว่างก๊าซกับของเหลว และส่งเสริมการผสมแบบปั่นป่วนในระดับจุลภาค ผลที่ตามมาคือโอโซนละลายได้ดีขึ้นและสลายตัวเป็นสารประกอบที่มีปฏิกิริยาได้ง่ายขึ้น

ผลรวมของทั้งสองปัจจัยคือสภาพแวดล้อมที่มีการออกซิเดชันที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ในการใช้คลื่นเสียงร่วมกับโอโซน (sonozonation) โมเลกุลของโอโซนอาจเข้าสู่ฟองอากาศจากการเกิดคาวิเทชันหรือรวมตัวกันใกล้กับผิวฟองอากาศ ซึ่งในบริเวณดังกล่าวจะสัมผัสกับสภาวะความร้อนและแรงกลอย่างรุนแรงในระหว่างการยุบตัวของฟองอากาศ กระบวนการนี้เร่งการสลายตัวของโอโซนและเพิ่มการเกิดอนุมูลไฮดรอกซิลและสารออกซิเจนที่มีปฏิกิริยาสูงชนิดอื่น ๆ กระบวนการนี้จึงช่วยปรับปรุงอัตราการย่อยสลายของสารมลพิษอินทรีย์และสามารถลดระยะเวลาในการบำบัดเมื่อเทียบกับการใช้โอโซนแบบดั้งเดิม ในการใช้งานหลายประเภท โซโน-โอโซเนชันยังช่วยปรับปรุงการแร่ธาตุ ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลอินทรีย์ไม่เพียงแต่ถูกเปลี่ยนเป็นสารประกอบกลางเท่านั้น แต่ยังถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และไอออนอนินทรีย์อีกด้วย

หนึ่งในข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของการใช้โซโน-โอโซเนชันคือความสามารถในการบำบัดสารประกอบที่ทนต่อการออกซิเดชันแบบดั้งเดิม สารปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมหลายชนิด รวมถึงสีย้อม สารประกอบฟีนอล สารเคมีที่รบกวนการทำงานของต่อมไร้ท่อ ตะกอนยา และสารลดแรงตึงผิว อาจยากต่อการกำจัดให้หมดไป โอโซนอาจทำปฏิกิริยาเฉพาะกับกลุ่มที่มีอิเล็กตรอนมาก ในขณะที่อนุมูลอิสระที่เกิดจากอัลตราซาวนด์สามารถโจมตีตำแหน่งโมเลกุลที่ไม่เลือกได้ การผสมผสานนี้ช่วยขยายช่วงของเส้นทางการออกซิเดชันและเพิ่มโอกาสในการสลายตัวของสารปนเปื้อน ซึ่งทำให้การบำบัดด้วยคลื่นเสียงและโอโซนน่าสนใจสำหรับการบำบัดน้ำเสีย การปรับปรุงคุณภาพน้ำดื่ม การบำบัดน้ำชะ การรีไซเคิลน้ำในกระบวนการ และการฟื้นฟูแหล่งน้ำที่ปนเปื้อน

การเสื่อมสภาพอันดับหนึ่งของ p-ไนโตรฟีนอลเนื่องจากการโซนิเคชันด้วย O2, โอโซเนชัน และการโอโซเนชันแบบโซโนไลติก การไหลของก๊าซ O3 ที่ 40 มล./นาที, pH=3, T=298 K. ความเข้มข้นเริ่มต้นของ p-nitrophenol คือ 50 มก./ลิตร. กำลังการผลิตอัลตราโซนิกของตัวแปลงสัญญาณคือ 125 วัตต์.
กราฟิกและศึกษา: ©Xu et al., 2005

การประยุกต์ใช้โซโน-โอโซเนชัน

โซโน-โอโซเนชั่นมีความเกี่ยวข้องอย่างมากกับการทำลายเชื้อจุลินทรีย์. คลื่นเสียงความถี่สูงสามารถทำลายเซลล์จุลินทรีย์ทางกายภาพผ่านแรงเฉือน, ไมโครเจ็ต, คลื่นช็อก, และการเปลี่ยนแปลงความดันในบริเวณที่เฉพาะเจาะจง. ขณะที่โอโซนสามารถทำลายผนังเซลล์, เยื่อหุ้มเซลล์, เอนไซม์, และสารพันธุกรรมได้. เมื่อทั้งสองวิธีถูกนำมาใช้ร่วมกัน, ผลกระทบต่อการฆ่าเชื้อสามารถเพิ่มขึ้นได้. การเกิดโพรงอากาศอาจทำให้โครงสร้างเซลล์อ่อนแอหรือเสียหาย ส่งผลให้โอโซนและอนุมูลอิสระสามารถโจมตีได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น การทำงานร่วมกันนี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย เชื้อรา สาหร่าย และจุลินทรีย์อื่นๆ สำหรับการประยุกต์ใช้ที่ต้องการทั้งการควบคุมจุลินทรีย์และการย่อยสลายสารปนเปื้อนอินทรีย์ การบำบัดด้วยโซโน-โอโซเนชันเป็นวิธีการบำบัดแบบหลายฟังก์ชันที่ทรงพลัง

นอกเหนือจากการเสื่อมสภาพทางเคมีและฤทธิ์ต้านจุลชีพแล้ว การบำบัดด้วยโซโน-โอโซนยังสามารถปรับปรุงสมบัติทางกายภาพและเคมีของของเหลวที่ผ่านการบำบัดได้อีกด้วย การเกิดโพรงเสียงด้วยความถี่สูงช่วยเพิ่มความเข้มข้นของการผสม ส่งเสริมการกำจัดก๊าซและการกระจายตัวของก๊าซ รวมถึงเพิ่มการสัมผัสระหว่างสารออกซิแดนท์กับสารปนเปื้อน ผลกระทบเหล่านี้สามารถช่วยลดค่าสี กลิ่น ความต้องการออกซิเจนทางเคมี ความขุ่น และสารอินทรีย์บางชนิดที่ทนต่อการย่อยสลายได้ ในกระบวนการบางประเภท การใช้ออสซอนเนชั่นด้วยคลื่นเสียงสามารถปรับปรุงการบำบัดในขั้นตอนถัดไปได้โดยการเปลี่ยนสารที่คงทนให้กลายเป็นสารประกอบที่สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้มากขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของขั้นตอนการบำบัดทางชีวภาพ

เครื่องปฏิกรณ์ปิดสำหรับการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพและการขยายขนาดที่ง่ายดาย

ข้อได้เปรียบทางปฏิบัติของการใช้โซโน-โอโซเนชันคือสามารถนำไปใช้ในระบบปฏิกรณ์ปิดได้ โซนิเคเตอร์แบบโพรบของ Hielscher เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการบูรณาการประเภทนี้เนื่องจากสามารถส่งคลื่นเสียงความเข้มสูงเข้าสู่ของเหลวโดยตรงผ่านโซโนโทรดไทเทเนียม โพรบสามารถติดตั้งในภาชนะปิดหรือเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่านได้โดยใช้พอร์ต หน้าแปลน หรือข้อต่อที่เหมาะสม ในขณะเดียวกัน สามารถนำโอโซนเข้าไปได้ผ่านทางเข้าแก๊ส ตัวกระจาย ตัวพ่น หรือวงจรหมุนเวียน ซึ่งช่วยให้อัลตราซาวด์และโอโซนทำงานพร้อมกันภายในปริมาตรปฏิกิริยาเดียวกัน

การตั้งค่าเช่นนี้ตรงไปตรงมาและสามารถปรับขนาดได้ เครื่องปฏิกรณ์ปิดบรรจุของเหลวที่ต้องการบำบัดไว้ภายใน ขณะที่โพรบอัลตราโซนิกจะถ่ายทอดพลังงานเสียงเข้าไปในตัวกลางโดยตรง โอโซนจะไหลผ่านเครื่องปฏิกรณ์อย่างต่อเนื่องหรือเป็นช่วงๆ ขึ้นอยู่กับความต้องการของกระบวนการ อัลตราโซนิกช่วยเพิ่มการกระจายตัวของโอโซนและเพิ่มการสัมผัสกับของเหลวในเฟสของเหลว ขณะที่การออกแบบแบบปิดช่วยกักเก็บโอโซนอย่างปลอดภัยและสามารถจัดการก๊าซที่ปล่อยออกมาได้อย่างควบคุม โอโซนส่วนเกินสามารถถูกส่งไปยังเครื่องทำลายโอโซนหรือระบบบำบัดไอเสียที่เหมาะสมได้ พารามิเตอร์การดำเนินงานที่สำคัญได้แก่ ความกว้างของคลื่นอัลตราโซนิก, กำลังไฟฟ้าที่ใช้, ระยะเวลาการบำบัด, ความเข้มข้นของโอโซน, อัตราการไหลของก๊าซ, อุณหภูมิ, ความดัน, ค่า pH, และรูปทรงของตัวทำปฏิกิริยา

เครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher สำหรับการโอโซเนชั่นและการออกซิเดชันขั้นสูง

เครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบของ Hielscher สามารถใช้สำหรับกระบวนการโซโน-โอโซเนชันแบบแบตช์หรือแบบต่อเนื่องได้ ในการพัฒนาในห้องปฏิบัติการ เครื่องโซนิเคเตอร์แบบกะทัดรัดช่วยให้ผู้วิจัยสามารถประเมินจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา การย่อยสลายของสารมลพิษ และการลดจำนวนจุลินทรีย์ภายใต้สภาวะที่ควบคุมได้ สำหรับการทดลองในโรงงานและอุตสาหกรรม ระบบอัลตราโซนิกที่มีกำลังสูงกว่าสามารถติดตั้งในถังขนาดใหญ่หรือเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่องได้ เนื่องจากการใช้หัวโพรบในการส่งคลื่นเสียงความถี่สูงเข้าสู่ของเหลวอย่างมีประสิทธิภาพ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการที่ต้องการการเกิดคาวิเทชันอย่างรุนแรงและความสามารถในการทำซ้ำได้อย่างเชื่อถือได้

โซโน-โอโซเนชั่น เป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งผสานพลังการออกซิเดชันทางเคมีของโอโซนกับผลกระทบทางกายภาพและโซโนเคมีของคลื่นเสียงอัลตราซาวนด์ กระบวนการนี้เพิ่มการเกิดอนุมูลอิสระ ปรับปรุงการถ่ายโอนมวลระหว่างก๊าซและของเหลว เร่งการสลายตัวของสารปนเปื้อน และเพิ่มประสิทธิภาพของกิจกรรมต้านจุลชีพ ความเข้ากันได้กับเครื่องปฏิกรณ์ปิดและการรวมตัวโดยตรงของโซนิเคเตอร์แบบหัววัดของ Hielscher ทำให้โซโน-โอโซเนชันเป็นวิธีการที่ใช้งานได้จริงและหลากหลายสำหรับการบำบัดสิ่งแวดล้อม การทำให้บริสุทธิ์น้ำ การบำบัดน้ำเสีย และการประยุกต์ใช้การออกซิเดชันขั้นสูง

ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

การออกแบบ การผลิต และการให้คําปรึกษา – คุณภาพ ผลิตในประเทศเยอรมนี

เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบสูงสุด ความทนทานและใช้งานง่ายช่วยให้สามารถรวมเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น สภาพที่ขรุขระและสภาพแวดล้อมที่ต้องการสามารถจัดการได้ง่ายโดยเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher

Hielscher Ultrasonics เป็น บริษัท ที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO และให้ความสําคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงที่มีเทคโนโลยีล้ําสมัยและเป็นมิตรกับผู้ใช้ แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เป็นไปตามมาตรฐาน CE และตรงตามข้อกําหนดของ UL, CSA และ RoHs

วรรณกรรม / อ้างอิง