Τεχνική των Υπερήχων Είναι ΠΟΜΑ Κυρίως σε νερά αλλά και απόβλητα Ιδιαίτερα αποτελεσματική για πτητικούς ή/και υδρόφοβους ρύπους Ως χημεία υπερήχων ορίζεται η χημική δραστηριότητα που προκαλείται ή/και καταλύεται από την έντονη πίεση κυμάτων σε ένα υγρό μέσο

Τεχνική Υπερήχων Ως υπέρηχος ορίζεται κάθε ήχος με συχνότητα μεγαλύτερη από την μέγιστη συχνότητα στην οποία το ανθρώπινο αυτί αντιδρά Στην τεχνική των υπερήχων υπάρχουν οι εξής ζώνες συχνοτήτων: Υψηλής συχνότητας ή διαγνωστικοί υπέρηχοι (2-10 ΜHz) Μεσαίας συχνότητας ή υπέρηχοι χημικών αντιδράσεων (300-1000 kHz) Χαμηλής συχνότητας ή υπέρηχοι συμβατικής ισχύος (20-100 kHz)

Φαινόμενο ακουστικής σπηλαίωσης (acoustic cavitation) Όταν ένα υγρό εκτεθεί σε ακουστικό πεδίο λαμβάνουν χώρα τα στάδια: Σχηματισμός πυρήνα (nucleation) Ανάπτυξη φυσαλίδας- διαστολή (bubble growth) Κατάρρευση της φυσαλίδας προς το εσωτερικό- καταστροφική κατάρρευση (implosive collapse) Κατά την αδιαβατική κατάρρευση, οι θερμοκρασίες και οι πιέσεις είναι τόσο ακραίες που τα εγκλωβισμένα στις φυσαλίδες αέρια υφίστανται μοριακό θρυμματισμό, που είναι και το θεμελιώδες φαινόμενο στην χημεία των υπερήχων

Το φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης

Φαινόμενο σπηλαίωσης

& Αντιδράσεις ριζών •ΟΗ Πιθανά σημεία αντιδράσεων Διεπιφάνεια (850-2000 K) Φυσαλίδα (4200-5000 K) Πυρόλυση & Η2Ο •ΟΗ + •Η Πυρόλυση & Αντιδράσεις ριζών •ΟΗ Σώμα διαλύματος Αντιδράσεις ριζών •ΟΗ Πιθανά σημεία αντιδράσεων

ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Συχνότητα Κορεσμός με αέρια Θερμοκρασία κυρίου σώματος Ακουστική ισχύς Τύπος & γεωμετρία αντιδραστήρα Παρουσία άλλων ουσιών (καταλύτες, ενώσεις παγίδας ριζών κλπ)

ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ Χαμηλή Μεσαία Αργή ανάπτυξη Γρήγορη ανάπτυξη Μεγάλο μέγεθος Έντονη έκρηξη Μικρό αριθμό ΄γεγονότων’ Αλλά… Επαναντίδραση ελευθέρων ριζών Κατάλληλη για… Πτητικά & Υδρόφοβα Μεσαία Γρήγορη ανάπτυξη Μεσαίο μέγεθος Ήπια έκρηξη Μεγάλο αριθμό ‘γεγονότων’ Αλλά… Διάχυση ελευθέρων ριζών προς διεπιφάνεια και κύριο σώμα Κατάλληλη για… Μη πτητικά & Υδρόφιλα

Διευκολύνουν τον σχηματισμό πυρήνων Πρέπει να : ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΑΕΡΙΩΝ Διευκολύνουν τον σχηματισμό πυρήνων Πρέπει να : Είναι επαρκώς υδατοδιαλυτά Έχουν μικρή θερμική αγωγιμότητα Μέρος ενέργειας διαχέεται (αδιαβατική έκρηξη?) Έχουν υψηλό γ=Cp/Cv Rayleigh – Plesset : Tmax = To (Pm/P) (γ-1) He, Ar, Kr

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΚΥΡΙΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ Αύξηση θερμοκρασίας Αύξηση τάσης ατμών Μείωση κατωφλιού σπηλαίωσης Εύκολος σχηματισμός φυσαλίδας Μεγάλη περιεκτικότητα σε ατμό – μικρή σε αέριο Ήπια έκρηξη (cushioning effect) Μείωση ρυθμού (ΟΧΙ ΠΑΝΤΑ!!!)

? ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Όχι αντίδραση πριν το ενεργειακό κατώφλι Βέλτιστη ισχύς Όχι αντίδραση πριν το ενεργειακό κατώφλι Βέλτιστη ισχύς <=> Συχνότητα Σε υψηλή ισχύ δημιουργείται ‘νέφος’ φυσαλίδων που εμποδίζει την μετάδοση ενέργειας από το ηχόδιο στο ρευστό (?) % Μετατροπή ? κατώφλι Ισχύς (W/cm2)

ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ Τύπου ηχοδίου (horn-type) για χαμηλής συχνότητας υπερήχους Τύπου plate-transducer για υψηλής συχνότητας υπερήχους

ΕΦΑΡΜΟΓΗ : ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ SDBS Αντιδραστήρας ηχοδίου (80 kHz, 150 W) Επίδραση συνθηκών λειτουργίας στην απόδοση Αρχική συγκέντρωση Θερμοκρασία Ισχύς Συχνότητα Παρουσία άλλων ουσιών Βιοαποδομησιμότητα Δωδεκυλοβενζολοσουλφονικό νάτριο C H 3 ( 2 ) n m S O N a m+n=9

Επίδραση αρχικής συγκέντρωσης SDBS (80 kHz, 150 W, 20C) 100 80 60 Συγκέντρωση SDBS (mg/L) 40 20 50 100 150 200 250 Χρόνος εφαρμογής υπερήχων (min) 15 mg/L 30 mg/L 100 mg/L

Επίδραση θερμοκρασίας (80 kHz, 150 W, 15 mg/L SDBS) 0,8 0,6 o / C C 0,4 0,2 50 100 150 200 250 Χρόνος εφαρμογής υπερήχων (min) 20°C 40°C 60°C

Επίδραση ηλεκτρικής ισχύος (80 kHz, 20C, 30 mg/L SDBS) 1 0,8 0,6 o C / C 0,4 0,2 50 100 150 200 250 Χρόνος εφαρμογής υπερήχων (min) 150 W, 30 mg/L 75 W, 30 mg/L 45 W, 30 mg/L

Επίδραση συχνότητας (150 W, 20C, 15 mg/L SDBS) 0,8 0,6 o C / C 0,4 0,2 50 100 150 200 250 Χρόνος εφαρμογής υπερήχων (min) 80 kHz, 15 mg/L 20 kHz, 15 mg/L

Επίδραση παρουσίας ενώσεων “παγίδας” (80 kHz, 150 W, 20C, 15 mg/L SDBS) 0,8 0,6 o / C C 0,4 0,2 50 100 150 200 250 Χρόνος εφαρμογής υπερήχων (min) No scavenger 5000 mg/L KBr 100 mg/L butanol 1000 mg/L butanol

Επίδραση ιόντων Fe2+ (80 kHz, 150 W, 20C, 15 mg/L SDBS, 2 Επίδραση ιόντων Fe2+ (80 kHz, 150 W, 20C, 15 mg/L SDBS, 2.5 mg/L Fe2+) 1 0,8 0,6 o / C C 0,4 0,2 50 100 150 200 250 Χρόνος εφαρμογής υπερήχων (min) Ultrasound Fenton, No Ultrasound Fe(II), Ultrasound Fenton, Ultrasound

Επίδραση H2O2 (80 kHz, 150 W, 20C, 15 mg/L SDBS) 0,2 0,4 0,6 0,8 1 50 100 150 200 250 Sonication Time (min) C / C o No H2O2, Ultrasound 10 mg/L H2O2, Ultrasound 60 mg/L H2O2, Ultrasound No H 2 O , Ultrasound 60 mg/L H 10 mg/L H Χρόνος εφαρμογής υπερήχων (min)

Επίδραση NaCl (80 kHz, 150 W, 20C, 15 mg/L SDBS) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 50 100 150 200 250 Χρόνος εφαρμογής υπερήχων (min) C / C o No salt 2.5 g/L NaCl 10 g/L NaCl

Επίδραση σονόλυσης στην αερόβια βιοαποδομησιμότητα SDBS 50 100 150 200 5 10 15 20 25 30 Χρόνος επώασης (days) Συγκέντρωση SDBS / COD (mg/L) Original SDBS Sonicated SDBS Original COD Sonicated COD

Σύγκριση απόδοσης επεξεργασίας για βιολογική και συνδυασμό σονόλυσης-βιολογικής αποδόμησης SDBS Τύπος επεξεργασίας Συζευγμένη επεξεργασία Βιολογική Αποδόμηση του SDBS μετά το βήμα εφαρμογής υπερήχων (%) 55.5 - της βιολογική ς επεξεργασίας (%) 76.2 65 Συνολική αποδόμηση του (%) 89.4 Μετατροπή του COD 20 της βιολογικής επεξεργασίας (%) 68.1 51 Συνολική μετατροπή του 74.5