Khử trùng bằng sóng âm và ozone: Sự kết hợp giữa hóa học sóng âm và khử trùng bằng ozone trong quá trình oxy hóa nâng cao

Quá trình Sono-Ozonation là một quy trình oxy hóa tiên tiến kết hợp sóng siêu âm với quá trình ozon hóa trong cùng một hệ thống xử lý. Mặc dù cả hai công nghệ đều hiệu quả khi được áp dụng riêng lẻ, việc kết hợp chúng thường mang lại hiệu quả cao hơn so với việc chỉ sử dụng một trong hai phương pháp. Sự kết hợp này đặc biệt có giá trị trong các ứng dụng môi trường, nơi các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy, vi sinh vật, chất tạo màu, dược phẩm, thuốc trừ sâu, hóa chất công nghiệp và các chất ô nhiễm khác cần được phân hủy hiệu quả. Bằng cách tích hợp hiện tượng cavitation âm thanh với hóa học ozon, sono-ozonation tăng cường quá trình tạo gốc tự do, cải thiện quá trình truyền khối và đẩy nhanh các phản ứng oxy hóa trong môi trường lỏng.

Sonication giúp cải thiện quá trình ozon hóa như thế nào?

Nguyên lý của quá trình ozon hóa bằng sóng siêu âm dựa trên sự tương tác giữa hiện tượng xâm thực do sóng siêu âm và quá trình phân hủy ozon. Khi sóng siêu âm cường độ cao được đưa vào chất lỏng, các chu kỳ nén và giãn nở xen kẽ sẽ tạo ra các bọt xâm thực vi mô. Các bọt này phát triển và vỡ tan một cách dữ dội, tạo ra các điểm nóng cục bộ với nhiệt độ và áp suất cực cao trong thời gian rất ngắn. Trong những điều kiện khắc nghiệt này, các phân tử nước có thể phân ly thành các gốc hydroxyl có tính phản ứng cao. Các gốc này là một trong những chất oxy hóa không chọn lọc mạnh nhất trong hệ thống nước và có khả năng tấn công một loạt các hợp chất hữu cơ.

Những ưu điểm của quá trình ozon hóa hỗ trợ bằng sóng siêu âm

Ozon cũng là một chất oxy hóa mạnh và được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước và nước thải. Nó có thể phản ứng trực tiếp với một số chất ô nhiễm hoặc phân hủy trong nước để tạo thành các chất oxy hóa thứ cấp như các gốc hydroxyl. Tuy nhiên, quá trình ozon hóa có thể bị hạn chế bởi sự chuyển giao khối lượng khí-lỏng, độ hòa tan của ozone và tính chọn lọc của các phản ứng trực tiếp với ozone. Siêu âm giúp khắc phục những hạn chế này. Hiện tượng xâm thực giúp cải thiện sự phân tán của khí ozone trong chất lỏng, giảm kích thước bọt khí, làm mới bề mặt tiếp xúc giữa khí và chất lỏng, đồng thời thúc đẩy quá trình trộn vi mô hỗn loạn. Kết quả là, ozone hòa tan hiệu quả hơn và phân hủy dễ dàng hơn thành các gốc tự do phản ứng.

Hiệu ứng tổng hợp tạo ra một môi trường oxy hóa hiệu quả hơn. Trong quá trình ozon hóa kết hợp sóng siêu âm, các phân tử ozon có thể xâm nhập vào các bong bóng cavitation hoặc tập trung gần bề mặt tiếp giáp của bong bóng, nơi chúng phải chịu các điều kiện nhiệt và cơ học cực mạnh trong quá trình bong bóng vỡ. Điều này đẩy nhanh quá trình phân hủy ozon và tăng cường sự hình thành các gốc hydroxyl cùng các chất oxy hóa phản ứng khác. Do đó, quá trình này cải thiện tốc độ phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và có thể giảm thời gian xử lý so với quá trình ozon hóa thông thường. Trong nhiều ứng dụng, quá trình sono-ozonation cũng cải thiện quá trình khoáng hóa, có nghĩa là các phân tử hữu cơ không chỉ được chuyển hóa thành các hợp chất trung gian mà còn được oxy hóa thêm thành carbon dioxide, nước và các ion vô cơ.

Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp xử lý bằng sóng siêu âm kết hợp ozone là khả năng xử lý các hợp chất kháng lại quá trình oxy hóa thông thường. Nhiều chất ô nhiễm môi trường, bao gồm thuốc nhuộm, hợp chất phenolic, hóa chất gây rối loạn nội tiết, dư lượng dược phẩm và chất hoạt động bề mặt, có thể khó loại bỏ hoàn toàn. Ozone có thể phản ứng chọn lọc với các nhóm giàu electron, trong khi các gốc tự do do siêu âm tạo ra có thể tấn công các vị trí phân tử ít chọn lọc hơn. Sự kết hợp này mở rộng phạm vi các con đường oxy hóa và nâng cao khả năng phân hủy chất ô nhiễm. Điều này khiến phương pháp sono-ozonation trở nên hấp dẫn trong xử lý nước thải, làm sạch nước uống, xử lý nước thải mỏ, tái chế nước quá trình và phục hồi các dòng nước bị ô nhiễm.

Quá trình phân hủy bậc nhất của p-nitrophenol do tác động của sóng siêu âm kết hợp với O₂, ozon hóa và ozon hóa kết hợp sóng siêu âm. Lưu lượng khí O3 là 40 ml/phút, pH = 3, T = 298 K. Nồng độ ban đầu của p-nitrophenol là 50 mg/L. Công suất siêu âm của đầu dò là 125 W.
Hình ảnh và nghiên cứu: ©Xu et al., 2005

Các ứng dụng của quá trình ozon hóa bằng sóng âm

Phương pháp Sono-Ozonation có vai trò rất quan trọng trong việc vô hiệu hóa vi sinh vật. Sóng siêu âm có thể phá vỡ cấu trúc tế bào vi sinh vật một cách vật lý thông qua lực cắt, các tia nước siêu nhỏ, sóng xung kích và sự thay đổi áp suất cục bộ. Trong khi đó, ozone oxy hóa thành tế bào, màng tế bào, enzym và vật liệu di truyền. Khi kết hợp cả hai phương pháp này, hiệu quả kháng khuẩn có thể được tăng cường. Hiện tượng xâm thực có thể làm suy yếu hoặc phá hủy cấu trúc tế bào, cho phép ozone và các gốc tự do tấn công hiệu quả hơn. Hành động kết hợp này có thể cải thiện hiệu quả khử trùng đối với vi khuẩn, nấm, tảo và các vi sinh vật khác. Đối với các ứng dụng yêu cầu cả kiểm soát vi sinh vật và phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ, sono-ozonation cung cấp một phương pháp xử lý đa chức năng mạnh mẽ.

Ngoài khả năng phân hủy hóa học và hoạt tính kháng khuẩn, quá trình xử lý bằng sóng siêu âm kết hợp ozone còn có thể cải thiện các tính chất vật lý-hóa học của chất lỏng sau xử lý. Hiện tượng xâm thực do sóng siêu âm làm tăng cường độ khuấy trộn, thúc đẩy quá trình khử khí và phân tán khí, đồng thời tăng cường sự tiếp xúc giữa chất oxy hóa và các chất ô nhiễm. Những tác động này có thể góp phần làm giảm màu, mùi, nhu cầu oxy hóa học (COD), độ đục và một số thành phần hữu cơ khó phân hủy. Trong một số quy trình, quá trình xử lý bằng sóng siêu âm và ozone cũng có thể cải thiện quá trình xử lý ở các giai đoạn sau bằng cách chuyển đổi các chất khó phân hủy thành các hợp chất dễ phân hủy sinh học hơn, từ đó tăng hiệu quả của các bước xử lý sinh học.

Lò phản ứng kín cho quá trình xử lý hiệu quả và dễ dàng mở rộng quy mô

Một ưu điểm thực tiễn của quá trình ozon hóa bằng sóng siêu âm là nó có thể được áp dụng trong các hệ thống phản ứng kín. Các thiết bị tạo sóng siêu âm dạng đầu dò của Hielscher đặc biệt phù hợp cho loại tích hợp này vì chúng truyền sóng siêu âm cường độ cao trực tiếp vào chất lỏng thông qua một đầu dò titan. Đầu dò có thể được lắp vào bình kín hoặc bình phản ứng dòng chảy bằng cách sử dụng các cổng, mặt bích hoặc phụ kiện thích hợp. Đồng thời, ozone có thể được đưa vào qua đầu vào khí, bộ khuếch tán, bộ phun khí hoặc vòng tuần hoàn. Điều này cho phép sóng siêu âm và ozone hoạt động đồng thời trong cùng một thể tích phản ứng.

Cấu hình này rất đơn giản và có khả năng mở rộng. Lò phản ứng kín chứa chất lỏng cần xử lý, trong khi đầu dò siêu âm truyền năng lượng âm thanh trực tiếp vào môi trường. Ozone chảy liên tục hoặc không liên tục qua lò phản ứng, tùy thuộc vào yêu cầu của quy trình. Siêu âm giúp cải thiện sự phân tán của ozone và tiếp xúc với pha lỏng, trong khi cấu hình kín giúp chứa ozone một cách an toàn và cho phép xử lý khí thải được kiểm soát. Ozon dư thừa có thể được dẫn đến thiết bị phá hủy ozon hoặc hệ thống xử lý khí thải phù hợp. Các thông số vận hành quan trọng bao gồm biên độ siêu âm, công suất đầu vào, thời gian xử lý, nồng độ ozon, tốc độ dòng khí, nhiệt độ, áp suất, pH và hình dạng bình phản ứng.

Máy siêu âm Hielscher dùng trong quá trình ozon hóa và oxy hóa nâng cao

Máy tạo sóng siêu âm kiểu đầu dò Hielscher có thể được sử dụng cho các quy trình ozon hóa bằng sóng siêu âm theo mẻ hoặc liên tục. Trong giai đoạn phát triển thí nghiệm, các thiết bị siêu âm nhỏ gọn cho phép các nhà nghiên cứu đánh giá động học phản ứng, quá trình phân hủy chất ô nhiễm và giảm vi sinh vật trong điều kiện được kiểm soát. Đối với hoạt động thí điểm và công nghiệp, các hệ thống siêu âm mạnh mẽ hơn có thể được tích hợp vào các bể chứa lớn hơn hoặc các lò phản ứng dòng chảy liên tục. Vì siêu âm đầu dò truyền năng lượng vào chất lỏng một cách hiệu quả, nên nó rất phù hợp để tăng cường quá trình khi cần có hiện tượng xâm thực mạnh và khả năng tái tạo đáng tin cậy.

Phương pháp Sono-Ozonation là một phương pháp kết hợp hiệu quả cao, kết hợp sức mạnh oxy hóa hóa học của ozone với các tác động vật lý và sonochemical của sóng siêu âm. Quy trình này làm tăng sự hình thành các gốc tự do, cải thiện quá trình truyền khối khí-lỏng, đẩy nhanh quá trình phân hủy chất ô nhiễm và tăng cường hoạt tính kháng khuẩn. Khả năng tương thích với các bình phản ứng kín và tích hợp trực tiếp các thiết bị tạo sóng siêu âm kiểu đầu dò Hielscher khiến quá trình Sono-Ozonation trở thành một phương pháp thực tiễn và linh hoạt cho xử lý môi trường, lọc nước, xử lý nước thải và các ứng dụng oxy hóa nâng cao.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Sản xuất tại Đức

Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Văn học / Tài liệu tham khảo