سونو الكيمياء الكهربائية ومزاياها

ستجد هنا كل ما تحتاج لمعرفته حول الكيمياء الكهربائية بالموجات فوق الصوتية (sonoelectrochemistry): مبدأ العمل والتطبيقات والمزايا والمعدات الكهروكيميائية سونو – جميع المعلومات ذات الصلة حول Sonoelectrochemistry على صفحة واحدة.

لماذا تطبيق الموجات فوق الصوتية على الكيمياء الكهربائية؟

يأتي الجمع بين الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية الكثافة مع الأنظمة الكهروكيميائية مع فوائد متعددة ، مما يحسن كفاءة ومعدل تحويل التفاعلات الكهروكيميائية.

مبدأ عمل الموجات فوق الصوتية

للمعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء ، يتم إنشاء الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة ومنخفضة التردد بواسطة مولد الموجات فوق الصوتية وتنتقل عبر مسبار بالموجات فوق الصوتية (sonotrode) إلى سائل. تعتبر الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة الموجات فوق الصوتية في حدود 16-30 كيلو هرتز. يتوسع مسبار الموجات فوق الصوتية ويتقلص على سبيل المثال ، عند 20 كيلو هرتز ، وبالتالي ينقل على التوالي 20000 اهتزاز في الثانية إلى الوسط. عندما تنتقل الموجات فوق الصوتية عبر السائل ، فإن دورات الضغط العالي (الضغط) / الضغط المنخفض (التخلخل أو التمدد) بالتناوب تخلق فقاعات أو تجاويف فراغ دقيقة ، والتي تنمو على مدى عدة دورات ضغط. أثناء مرحلة ضغط السائل والفقاعات ، يكون الضغط موجبا ، بينما تنتج مرحلة التخلخل فراغا (ضغطا سلبيا). خلال دورات الضغط والتمدد ، تنمو التجاويف في السائل حتى تصل إلى حجم لا يمكنها فيه امتصاص المزيد من الطاقة. في هذه المرحلة ، ينفجرون بعنف. يؤدي انفجار تلك التجاويف إلى تأثيرات مختلفة عالية الطاقة ، والتي تعرف باسم ظاهرة التجويف الصوتي / بالموجات فوق الصوتية. يتميز التجويف الصوتي بتأثيرات متعددة عالية الطاقة ، والتي تؤثر على السوائل والأنظمة الصلبة / السائلة وكذلك أنظمة الغاز / السوائل. تعرف المنطقة كثيفة الطاقة أو منطقة التجويف باسم ما يسمى بمنطقة النقطة الساخنة ، وهي الأكثر كثافة في الطاقة في المنطقة المجاورة للمسبار بالموجات فوق الصوتية وتتراجع مع زيادة المسافة من سونوترودي. تشمل الخصائص الرئيسية للتجويف بالموجات فوق الصوتية درجات الحرارة والضغوط العالية جدا التي تحدث محليا والفروق ذات الصلة والاضطرابات وتدفق السوائل. أثناء انفجار التجاويف فوق الصوتية في النقاط الساخنة بالموجات فوق الصوتية ، يمكن قياس درجات حرارة تصل إلى 5000 كلفن ، وضغوط تصل إلى 200 جو ونفاثات سائلة تصل إلى 1000 كم / ساعة. تساهم هذه الظروف المتميزة كثيفة الاستهلاك للطاقة في التأثيرات السونوميكانيكية والكيميائية التي تكثف الأنظمة الكهروكيميائية بطرق مختلفة.

آثار الموجات فوق الصوتية على الأنظمة الكهروكيميائية

ومن المعروف أن تطبيق الموجات فوق الصوتية على التفاعلات الكهروكيميائية لتأثيرات مختلفة على الأقطاب الكهربائية ، أي الأنود والكاثود ، وكذلك الحل الإلكتروليتي. يولد التجويف بالموجات فوق الصوتية والتدفق الصوتي حركة دقيقة كبيرة ، مما يؤدي إلى اصطدام النفاثات السائلة والإثارة في سائل التفاعل. وهذا يؤدي إلى تحسين الديناميكا المائية وحركة الخليط السائل / الصلب. يقلل التجويف بالموجات فوق الصوتية من السماكة الفعالة لطبقة الانتشار عند قطب كهربائي. تعني طبقة الانتشار المخفضة أن الصوتنة تقلل من فرق التركيز ، مما يعني أن تقارب التركيز بالقرب من القطب الكهربائي وقيمة التركيز في المحلول السائب يتم تعزيزهما بالموجات فوق الصوتية. يضمن تأثير التحريض بالموجات فوق الصوتية على تدرجات التركيز أثناء التفاعل التغذية الدائمة للمحلول الطازج للقطب الكهربائي وسحب المواد المتفاعلة. وهذا يعني أن الصوتنة حسنت الحركية الكلية التي تسرع معدل التفاعل وزيادة عائد التفاعل.
من خلال إدخال الطاقة فوق الصوتية في النظام وكذلك التكوين الكيميائي للجذور الحرة ، يمكن بدء التفاعل الكهروكيميائي ، والذي كان من الممكن أن يكون غير نشط كهربائيا. 
تأثير آخر مهم للاهتزاز الصوتي والتدفق هو تأثير التنظيف على أسطح القطب. طبقات التخميل والتلوث في الأقطاب الكهربائية تحد من كفاءة ومعدل تفاعل التفاعلات الكهروكيميائية. الموجات فوق الصوتية يحافظ على الأقطاب الكهربائية نظيفة بشكل دائم ونشطة تماما للتفاعل. ومن المعروف بالموجات فوق الصوتية لآثاره التفريغية، والتي هي مفيدة في التفاعلات الكهروكيميائية، أيضا. إزالة الغازات غير المرغوب فيها من السائل ، يمكن أن يكون التفاعل أكثر فعالية.

تطبيقات الكيمياء الكهربية الصوتية

يمكن تطبيق Sonoelectrochemistry على عمليات مختلفة وفي صناعات مختلفة. تشمل التطبيقات الشائعة جدا للكيمياء الكهربية ما يلي:

• تخليق الجسيمات النانوية (التمثيل الكهربائي)
• تخليق الهيدروجين
• التخثير الكهربائي
• معالجة مياه الصرف الصحي
• كسر المستحلبات
• الطلاء الكهربائي / الترسيب الكهربائي
• تسخين أومي

سونو الكهروكيميائية تخليق الجسيمات النانوية

تم تطبيق الموجات فوق الصوتية بنجاح لتوليف الجسيمات النانوية المختلفة في نظام كهروكيميائي. المغنتيت ، أنابيب نانوية من الكادميوم والسيلينيوم (CdSe) ، جسيمات نانوية بلاتينية (NPs) ، NPs ذهبية ، مغنيسيوم معدني ، بزموثين ، فضة نانوية ، نحاس فائق الدقة ، جسيمات نانوية من سبائك التنغستن والكوبالت (W-Co) ، السامرة / مركب نانوي أكسيد الجرافين المختزل ، جسيمات نانوية نحاسية مغطاة ببولي 1 نانومتر (حمض الأكريليك) والعديد من المساحيق الأخرى ذات الحجم النانوي تم إنتاجها بنجاح باستخدام الكيمياء الكهرومغناطيسية الصوتية.
تشمل مزايا تخليق الجسيمات النانوية الكهروكيميائية سونوكيميائية

• تجنب العوامل المختزلة والمواد الخافضة للتوتر السطحي
• استخدام الماء كمذيب
• تعديل حجم الجسيمات النانوية من خلال معلمات مختلفة (الطاقة فوق الصوتية ، الكثافة الحالية ، إمكانات الترسيب وأوقات النبض فوق الصوتية مقابل الكهروكيميائية)

قام Ashasssi-Sorkhabi and Bagheri (2014) بتصنيع أفلام polypyrrole بشكل كهروكيميائي وقارن النتائج بأفلام polypyrrole المركبة كهربائيا. أظهرت النتائج أن الترسيب الكهربي للسونو الجلفانوستاتيكي أنتج فيلم بولي بيرول (PPy) شديد الالتصاق وسلس على الفولاذ ، بكثافة تيار 4 مللي أمبير سم -2 في محلول 0.1 M حمض الأكساليك / 0.1 M pyrrole. باستخدام البلمرة الكهروكيميائية ، حصلوا على أفلام PPy عالية المقاومة وصعبة مع سطح أملس. لقد ثبت أن الطلاءات PPy التي أعدتها الكيمياء الكهربية توفر حماية كبيرة من التآكل لصلب St-12. كان الطلاء المركب موحدا وأظهر مقاومة عالية للتآكل. يمكن أن تعزى كل هذه النتائج إلى حقيقة أن الموجات فوق الصوتية عززت نقل الكتلة للمواد المتفاعلة وتسببت في ارتفاع معدلات التفاعل الكيميائي عن طريق التجويف الصوتي ودرجات الحرارة والضغوط المرتفعة الناتجة. تم التحقق من صحة بيانات المعاوقة ل St-12 Steel / طلاءين PPy / واجهة الوسائط المسببة للتآكل باستخدام تحويلات KK ، ولوحظت أخطاء متوسطة منخفضة.

أبلغ هاس وجيدانكن (2008) عن التوليف الصوتي الكهروكيميائي الناجح لجسيمات المغنيسيوم النانوية المعدنية. كانت الكفاءة في العملية الكهروكيميائية الصوتية لكاشف Gringard في رباعي هيدروفوران (THF) أو في محلول ثنائي بوتيل ديجليم 41.35٪ و 33.08٪ على التوالي. أدت إضافة AlCl3 إلى محلول Gringard إلى زيادة الكفاءة بشكل كبير ، مما رفعها إلى 82.70٪ و 51.69٪ في THF أو dibutyldiglyme ، على التوالي.

إنتاج الهيدروجين الكهروكيميائي سونو

التحليل الكهربائي المعزز بالموجات فوق الصوتية يزيد بشكل كبير من إنتاج الهيدروجين من الماء أو المحاليل القلوية. انقر هنا لقراءة المزيد عن تخليق الهيدروجين كهربائيا المتسارع بالموجات فوق الصوتية!

التخثير الكهربائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية

يعرف تطبيق الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد على أنظمة التخثير الكهربائي باسم التخثير الكهربائي الصوتي. تشير الدراسات إلى أن الصوتنة تؤثر على التخثير الكهربائي الناتج بشكل إيجابي ، على سبيل المثال ، في كفاءة إزالة أعلى من هيدروكسيدات الحديد من مياه الصرف الصحي. يفسر التأثير الإيجابي للموجات فوق الصوتية على التخثير الكهربائي من خلال الحد من تخميل القطب. تعمل الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية الكثافة على تدمير الطبقة الصلبة المودعة وإزالتها بكفاءة ، وبالتالي الحفاظ على الأقطاب الكهربائية نشطة بشكل كامل باستمرار. علاوة على ذلك ، تنشط الموجات فوق الصوتية كلا النوعين من الأيونات ، أي الكاتيونات والأنيونات ، الموجودة في منطقة تفاعل الأقطاب الكهربائية. ينتج عن التحريض بالموجات فوق الصوتية حركة دقيقة عالية لتغذية المحلول وحمل المواد الخام والمنتجات من وإلى الأقطاب الكهربائية.
ومن الأمثلة على عمليات التخثير الكهربائي الناجحة تقليل Cr (VI) إلى Cr (III) في مياه الصرف الصحي الصيدلانية ، وإزالة الفوسفور الكلي من النفايات السائلة للصناعة الكيميائية الدقيقة بكفاءة إزالة الفوسفور بنسبة 99.5٪ في غضون 10 دقائق ، وإزالة اللون و COD من النفايات السائلة لصناعة اللب والورق وما إلى ذلك. كانت كفاءات الإزالة المبلغ عنها للون و COD و Cr (VI) و Cu (II) و P 100٪ و 95٪ و 100٪ و 97.3٪ و 99.84٪ على التوالي. (راجع القضاة) & الشناج، 2018)

سونو الكهروكيميائية تدهور الملوثات

يتم تطبيق تفاعلات الأكسدة الكهروكيميائية و / أو الاختزال التي يتم تعزيزها بالموجات فوق الصوتية كطريقة قوية لتحلل الملوثات الكيميائية. تعمل آليات Sonomechanical و Sonochemical على تعزيز التدهور الكهروكيميائي للملوثات. ينتج عن التجويف المتولد بالموجات فوق الصوتية إثارة شديدة ، وخلط دقيق ، ونقل الكتلة وإزالة طبقات التخميل من الأقطاب الكهربائية. تؤدي تأثيرات التجويف هذه بشكل أساسي إلى تعزيز نقل الكتلة الصلبة والسائلة بين الأقطاب الكهربائية والمحلول. تأثيرات سونوكيميائية تؤثر بشكل مباشر على الجزيئات. الانقسام المتجانس للجزيئات يخلق مؤكسدات شديدة التفاعل. في الوسط المائي وفي وجود الأكسجين ، يتم إنتاج الجذور مثل HO • و HO2 • و O. • من المعروف أن جذور OH مهمة للتحلل الفعال للمواد العضوية. بشكل عام ، يظهر التدهور الكهروكيميائي للسونو كفاءة عالية ومناسب لمعالجة كميات كبيرة من مجاري مياه الصرف الصحي والسوائل الملوثة الأخرى.
على سبيل المثال ، وجد Lllanos et al. (2016) أنه تم الحصول على تأثير تآزري كبير لتطهير المياه عندما تم تكثيف النظام الكهروكيميائي عن طريق الصوتنة (التطهير الكهروكيميائي الصوتي). وقد وجد أن هذه الزيادة في معدل التطهير مرتبطة بقمع الخلايا القولونية aggolomerates بالإضافة إلى تعزيز إنتاج الأنواع المطهرة. 
Esclapez et al. (2010) أنه تم استخدام مفاعل كهروكيميائي مصمم خصيصا (ولكن لم يتم تحسينه) أثناء توسيع نطاق تدهور حمض ثلاثي كلورو الخليك (TCAA) ، وقدم وجود مجال الموجات فوق الصوتية المتولدة باستخدام UIP1000hd نتائج أفضل (التحويل الجزئي 97٪ ، كفاءة التدهور 26٪ ، الانتقائية 0.92 والكفاءة الحالية 8٪) عند كثافة أقل بالموجات فوق الصوتية والتدفق الحجمي. وبالنظر إلى حقيقة أن المفاعل الكهروكيميائي قبل الطيار لم يتم تحسينه بعد ، فمن المحتمل جدا أن يتم تحسين هذه النتائج بشكل أكبر.

قياس الفولتاميتري بالموجات فوق الصوتية والترسيب الكهربائي

أجري الترسيب الكهربي جلفانوستاتيكيا بكثافة تيار مقدارها 15 mA/cm2. تعرضت المحاليل للموجات فوق الصوتية قبل الترسيب الكهربائي لمدة 5-60 دقيقة. هيلشر UP200S مسبار نوع الموجات فوق الصوتية في وقت دورة 0.5. تم تحقيق الموجات فوق الصوتية عن طريق غمس مسبار الموجات فوق الصوتية مباشرة في الحل. لتقييم التأثير بالموجات فوق الصوتية على المحلول قبل الترسيب الكهربائي ، تم استخدام قياس الفولتاميتري الدوري (CV) من أجل الكشف عن سلوك المحلول ويجعل من الممكن التنبؤ بالظروف المثالية للترسيب الكهربائي. لوحظ أنه عندما يتعرض المحلول للموجات فوق الصوتية قبل الترسيب الكهربائي ، يبدأ الترسيب عند قيم محتملة أقل سلبية. هذا يعني أنه في نفس التيار في المحلول ، هناك حاجة إلى إمكانات أقل ، حيث تتصرف الأنواع الموجودة في المحلول بشكل أكثر نشاطا من الأنواع غير المعززة بالموجات فوق الصوتية. (راجع يوردال & كاراهان 2017)
اقرأ المزيد عن الترسيب الكهروكيميائي الصوتي للطلاءات النانوية المحسنة!

مجسات كهروكيميائية عالية الأداء ومفاعلات SonoElectroReacts

Hielscher الفوق صوتيات هو شريكك منذ فترة طويلة من ذوي الخبرة لأنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء. نقوم بتصنيع وتوزيع أحدث المجسات والمفاعلات بالموجات فوق الصوتية ، والتي تستخدم في جميع أنحاء العالم للتطبيقات الشاقة في البيئات الصعبة. للكيمياء الكهروضوئية سونو، وقد وضعت Hielscher تحقيقات الموجات فوق الصوتية الخاصة، والتي يمكن أن تكون بمثابة الكاثود و / أو الأنود، فضلا عن خلايا مفاعل بالموجات فوق الصوتية مناسبة للتفاعلات الكهروكيميائية. تتوفر الأقطاب الكهربائية والخلايا بالموجات فوق الصوتية للأنظمة الكلفانية / الفولتية وكذلك الأنظمة الإلكتروليتية.

سعات يمكن التحكم فيها بدقة للحصول على أفضل النتائج

جميع المعالجات بالموجات فوق الصوتية Hielscher هي التي يمكن التحكم فيها بدقة وبالتالي الخيول العمل موثوق بها في R&د والإنتاج. السعة هي واحدة من معلمات العملية الحاسمة التي تؤثر على كفاءة وفعالية التفاعلات المستحثة بالموجات فوق الصوتية والميكانيكية الصوتية. جميع Hielscher الفوق صوتيات’ تسمح المعالجات بالإعداد الدقيق للسعة. يمكن للمعالجات بالموجات فوق الصوتية الصناعية Hielscher تقديم سعات عالية جدا وتقديم كثافة الموجات فوق الصوتية المطلوبة للتطبيقات سونو الكهروكيمية الصعبة. يمكن تشغيل السعات التي تصل إلى 200 ميكرومتر بسهولة بشكل مستمر في عملية 24/7.
تمنحك إعدادات السعة الدقيقة والمراقبة الدائمة لمعلمات العملية بالموجات فوق الصوتية عبر البرامج الذكية إمكانية التأثير على التفاعل الكهروكيميائي الصوتي بدقة. خلال كل تشغيل صوتنة ، يتم تسجيل جميع المعلمات بالموجات فوق الصوتية تلقائيا على بطاقة SD مدمجة ، بحيث يمكن تقييم كل تشغيل والتحكم فيه. صوتنة الأمثل لتفاعلات سونوكيموكيميائية الأكثر كفاءة!
تم تصميم جميع المعدات للاستخدام 24/7/365 تحت الحمل الكامل وقوتها وموثوقيتها تجعلها حصان العمل في العملية الكهروكيميائية الخاصة بك. هذا يجعل معدات الموجات فوق الصوتية Hielscher أداة عمل موثوقة تلبي متطلبات العملية الكهروكيميائية الخاصة بك.

أعلى جودة – صمم وصنع في ألمانيا

كشركة عائلية وتديرها عائلة ، تعطي Hielscher الأولوية لأعلى معايير الجودة لمعالجاتها بالموجات فوق الصوتية. تم تصميم جميع الموجات فوق الصوتية وتصنيعها واختبارها بدقة في مقرنا الرئيسي في Teltow بالقرب من برلين ، ألمانيا. متانة وموثوقية معدات الموجات فوق الصوتية Hielscher جعلها حصان العمل في الإنتاج الخاص بك. عملية 24/7 تحت الحمل الكامل وفي البيئات الصعبة هي سمة طبيعية من تحقيقات الموجات فوق الصوتية عالية الأداء Hielscher والمفاعلات.

اتصل بنا الآن وأخبرنا عن متطلبات العملية الكهروكيميائية الخاصة بك! سوف نوصيك بأنسب الأقطاب الكهربائية بالموجات فوق الصوتية وإعداد المفاعل!