الكيمياء الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية ومزاياها

ستجد هنا كل ما تحتاج إلى معرفته عن الكيمياء الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية: مبدأ العمل والتطبيقات والمزايا والمعدات الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية – جميع المعلومات ذات الصلة بالكيمياء الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية في صفحة واحدة.

لماذا تُستخدم الموجات فوق الصوتية في الكيمياء الكهروكيميائية؟

يوفر الجمع بين الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية الشدة والأنظمة الكهروكيميائية فوائد متعددة تُحسّن كفاءة التفاعلات الكهروكيميائية ومعدل التحويل فيها.

مبدأ عمل الموجات فوق الصوتية

للمعالجة عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية، تُولَّد موجات فوق صوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد بواسطة مولّد للموجات فوق الصوتية، وتُنقل إلى سائل عبر مسبار بالموجات فوق الصوتية (سونوترود). تُعدّ الموجات فوق الصوتية ضمن النطاق 16–30kHz موجات فوق صوتية عالية القدرة. يتمدد مسبار الموجات فوق الصوتية وينكمش، على سبيل المثال، عند 20kHz، ناقلًا بذلك 20,000 اهتزاز في الثانية إلى الوسط. عندما تنتقل الموجات فوق الصوتية عبر السائل، تُنشئ دورات متناوبة من الضغط المرتفع (الانضغاط) / الضغط المنخفض (التخلخل أو التمدد) فقاعات فراغية أو تجاويف دقيقة تنمو على مدى عدة دورات ضغط. خلال مرحلة انضغاط السائل والفقاعات، يكون الضغط موجبًا، بينما تُنتج مرحلة التخلخل فراغًا (ضغطًا سالبًا). خلال دورات الانضغاط والتمدد، تنمو التجاويف في السائل حتى تصل إلى حجم لا تستطيع عنده امتصاص المزيد من الطاقة. عند هذه النقطة، تنهار بعنف إلى الداخل. يؤدي انهيار هذه التجاويف إلى تأثيرات مختلفة عالية الطاقة تُعرف بظاهرة التجويف الصوتي / فوق الصوتي. يتميز التجويف الصوتي بتأثيرات متعددة عالية الطاقة تؤثر في السوائل وأنظمة المواد الصلبة/السوائل وكذلك أنظمة الغازات/السوائل. تُعرف المنطقة ذات كثافة الطاقة العالية، أو منطقة التجويف، باسم منطقة البؤر الساخنة، وتبلغ كثافة الطاقة فيها أقصاها بالقرب المباشر من مسبار الموجات فوق الصوتية، وتنخفض مع زيادة المسافة عن السونوترود. تشمل الخصائص الرئيسية للتجويف بالموجات فوق الصوتية درجات حرارة وضغوطًا مرتفعة جدًا تحدث موضعيًا، والفروق المرتبطة بها، والاضطراب، والجريان السائل. أثناء انهيار التجاويف فوق الصوتية في البؤر الساخنة فوق الصوتية، يمكن قياس درجات حرارة تصل إلى 5000 كلفن، وضغوط تصل إلى 200 ضغط جوي، ونفاثات سائلة بسرعات تصل إلى 1000km/h. تسهم هذه الظروف الاستثنائية ذات الطاقة الشديدة في تأثيرات ميكانيكية وكيميائية ناجمة عن الموجات فوق الصوتية، تُعزّز الأنظمة الكهروكيميائية بطرق مختلفة.

تأثيرات الموجات فوق الصوتية في الأنظمة الكهروكيميائية

يُعرف تطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية على التفاعلات الكهروكيميائية بتأثيراته المختلفة في الأقطاب، أي المصعد والمهبط، وكذلك في المحلول الإلكتروليتي. يولّد التجويف بالموجات فوق الصوتية والجريان الصوتي حركة دقيقة ملحوظة، ونفاثات سائلة تصادمية، وتحريكًا داخل سائل التفاعل. يؤدي ذلك إلى تحسين ديناميكا الموائع وحركة خليط السائل والمواد الصلبة. يقلّل التجويف بالموجات فوق الصوتية السماكة الفعّالة لطبقة الانتشار عند القطب. ويعني تقليل طبقة الانتشار أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقلّل فرق التركيز، أي إن الموجات فوق الصوتية تعزّز تقارب التركيز بالقرب من القطب مع قيمة التركيز في كتلة المحلول. يضمن تأثير التحريك بالموجات فوق الصوتية في تدرّجات التركيز أثناء التفاعل إمداد القطب باستمرار بمحلول جديد وإبعاد المواد التي تفاعلت عنه. وهذا يعني أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تُحسّن الحركية الإجمالية، فتُسرّع معدل التفاعل وتزيد مردوده.
من خلال إدخال الطاقة فوق الصوتية إلى النظام، وكذلك تكوين الجذور الحرة بفعل التأثيرات الكيميائية للموجات فوق الصوتية، يمكن بدء تفاعل كهروكيميائي كان سيظل، لولا ذلك، غير نشط كهروكيميائيًا. ومن التأثيرات المهمة الأخرى للاهتزاز والجريان الصوتيين تأثير التنظيف على أسطح الأقطاب. تحدّ طبقات التخميل والترسّبات على الأقطاب من كفاءة التفاعلات الكهروكيميائية ومعدلها. تحافظ المعالجة بالموجات فوق الصوتية على نظافة الأقطاب باستمرار وعلى نشاطها الكامل للتفاعل. وتُعرف المعالجة بالموجات فوق الصوتية بتأثيراتها في إزالة الغازات، التي تفيد أيضًا في التفاعلات الكهروكيميائية. وبإزالة الغازات غير المرغوب فيها من السائل، يمكن أن يجري التفاعل بفاعلية أكبر.

تطبيقات الكيمياء الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية

يمكن تطبيق الكيمياء الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية في عمليات متنوعة وفي صناعات مختلفة. وتشمل التطبيقات الشائعة جدًا للكيمياء الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية ما يلي:

• تخليق الجسيمات النانوية (التخليق الكهربائي)
• تخليق الهيدروجين
• التخثير الكهربائي
• معالجة مياه الصرف
• كسر المستحلبات
• الطلاء الكهربائي / الترسيب الكهربائي
• التسخين الأومي

التخليق الكهروكيميائي للجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية

استُخدمت المعالجة بالموجات فوق الصوتية بنجاح لتخليق جسيمات نانوية متنوعة في نظام كهروكيميائي. وقد أُنتج بنجاح باستخدام الكيمياء الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية كلٌّ من المغنيتيت، والأنابيب النانوية من الكادميوم والسيلينيوم (CdSe)، وجسيمات البلاتين النانوية (NPs)، وجسيمات الذهب النانوية، والمغنيسيوم الفلزي، والبيسموثين، والفضة النانوية، والنحاس فائق الدقة، وجسيمات سبيكة التنغستن–الكوبالت (W–Co) النانوية، والمركّب النانوي من أكسيد الساماريوم/أكسيد الغرافين المختزل، وجسيمات النحاس النانوية الأصغر من 1nm والمغطاة ببولي(حمض الأكريليك)، والعديد من المساحيق الأخرى ذات الأحجام النانوية.
تشمل مزايا التخليق الكهروكيميائي للجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية ما يلي:

• تجنّب عوامل الاختزال والمواد الخافضة للتوتر السطحي
• استخدام الماء كمذيب
• ضبط حجم الجسيمات النانوية بتغيير المعلمات (قدرة الموجات فوق الصوتية، وكثافة التيار، وجهد الترسيب، وأزمنة النبضات فوق الصوتية مقابل أزمنة النبضات الكهروكيميائية)

قام Ashasssi-Sorkhabi وBagheri (2014) بتخليق أغشية البولي بيرول كهروكيميائيًا بالموجات فوق الصوتية، وقارنا النتائج بأغشية البولي بيرول المخلّقة كهروكيميائيًا. تُظهر النتائج أن الترسيب الكهربائي بالموجات فوق الصوتية عند تيار ثابت أنتج غشاءً أملس شديد الالتصاق من البولي بيرول (PPy) على الفولاذ، بكثافة تيار تبلغ 4 mA cm–2 في محلول حمض الأكساليك بتركيز 0.1 M/البيرول بتركيز 0.1 M. وباستخدام البلمرة الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية، حصلا على أغشية PPy عالية المقاومة ومتينة ذات سطح أملس. وقد ثبت أن طلاءات PPy المحضّرة بالكيمياء الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية توفّر حماية كبيرة من التآكل لفولاذ St-12. كان الطلاء المخلّق متجانسًا وأظهر مقاومة عالية للتآكل. ويمكن أن تُعزى جميع هذه النتائج إلى أن الموجات فوق الصوتية عزّزت انتقال كتلة المواد المتفاعلة وسبّبت معدلات تفاعل كيميائي مرتفعة بفعل التجويف الصوتي وما ينتج عنه من درجات حرارة وضغوط مرتفعة. جرى التحقق من صلاحية بيانات المعاوقة للسطح البيني بين فولاذ St-12/طلاءَي PPy/الأوساط المسبّبة للتآكل باستخدام تحويلات KK، ولوحظ انخفاض متوسط الأخطاء.

أفاد Hass وGedanken (2008) بنجاح التخليق الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية لجسيمات المغنيسيوم الفلزي النانوية. بلغت كفاءتا العملية الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية لكاشف Gringard في رباعي هيدرو الفوران (THF) أو في محلول ثنائي بيوتيل ثنائي الغليم 41.35% و33.08%، على التوالي. أدت إضافة AlCl3 إلى محلول Gringard إلى زيادة الكفاءة بدرجة كبيرة، إذ رفعتها إلى 82.70% و51.69% في THF أو ثنائي بيوتيل ثنائي الغليم، على التوالي.

إنتاج الهيدروجين كهروكيميائيًا بالموجات فوق الصوتية

يزيد التحليل الكهربائي المعزّز بالموجات فوق الصوتية مردود الهيدروجين من الماء أو المحاليل القلوية بدرجة كبيرة. انقر هنا لقراءة المزيد عن تخليق الهيدروجين بالتحليل الكهربائي المسرّع بالموجات فوق الصوتية!

التخثير الكهربائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية

يُعرف تطبيق الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد على أنظمة التخثير الكهربائي باسم التخثير الكهربائي بالموجات فوق الصوتية. تُظهر الدراسات أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تؤثر إيجابيًا في التخثير الكهربائي، فتؤدي، على سبيل المثال، إلى زيادة كفاءة إزالة هيدروكسيدات الحديد من مياه الصرف. ويُفسَّر الأثر الإيجابي للموجات فوق الصوتية في التخثير الكهربائي بتقليل تخميل الأقطاب. تُفكّك الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية الشدة الطبقات الصلبة المترسّبة وتزيلها بكفاءة، مما يحافظ على النشاط الكامل للأقطاب باستمرار. وعلاوة على ذلك، تنشّط الموجات فوق الصوتية كلا نوعَي الأيونات، أي الكاتيونات والأنيونات، الموجودين في منطقة التفاعل عند الأقطاب. يؤدي التحريك بالموجات فوق الصوتية إلى حركة دقيقة قوية للمحلول، تُوصل المواد الخام إلى الأقطاب وتحمل الناتج بعيدًا عنها.
تشمل أمثلة عمليات التخثير الكهربائي بالموجات فوق الصوتية الناجحة اختزال Cr(VI) إلى Cr(III) في مياه الصرف من صناعة الأدوية، وإزالة الفوسفور الكلي من مياه الصرف في صناعة المواد الكيميائية الدقيقة بكفاءة إزالة للفوسفور بلغت 99.5% خلال 10 min.، وإزالة اللون والطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) من مياه الصرف في صناعة اللب والورق، وغيرها. بلغت كفاءات الإزالة المُبلّغ عنها للّون وCOD وCr(VI) وCu(II) وP قيمًا قدرها 100% و95% و100% و97.3% و99.84%، على التوالي. (راجع Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

التحلل الكهروكيميائي للملوّثات بالموجات فوق الصوتية

تُستخدم تفاعلات الأكسدة و/أو الاختزال الكهروكيميائية المعزّزة بالموجات فوق الصوتية كطريقة فعّالة لتحليل الملوّثات الكيميائية. تعزّز الآليات الميكانيكية والكيميائية الناجمة عن الموجات فوق الصوتية التحلل الكهروكيميائي للملوّثات. يؤدي التجويف الناتج عن الموجات فوق الصوتية إلى تحريك شديد، وخلط دقيق، وانتقال للكتلة، وإزالة طبقات التخميل من الأقطاب. تؤدي تأثيرات التجويف هذه أساسًا إلى تعزيز انتقال الكتلة بين الطور الصلب والطور السائل بين الأقطاب والمحلول. تؤثر التأثيرات الكيميائية للموجات فوق الصوتية مباشرة في الجزيئات. ويُنتج الانشطار المتماثل للجزيئات عوامل مؤكسدة شديدة التفاعل. في الأوساط المائية وبوجود الأكسجين، تتكوّن جذور مثل HO• وHO2• وO•. ومن المعروف أن جذور •OH مهمة للتحلل الفعّال للمواد العضوية. إجمالًا، يُظهر التحلل الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية كفاءة عالية، وهو مناسب لمعالجة أحجام كبيرة من تيارات مياه الصرف وغيرها من السوائل الملوّثة.
على سبيل المثال، وجد Lllanos وآخرون (2016) أن تأثيرًا تآزريًا ملحوظًا قد تحقق في تطهير المياه عندما عُزّز النظام الكهروكيميائي بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية (التطهير الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية). وتبيّن أن هذه الزيادة في معدل التطهير مرتبطة بالحدّ من تكتلات خلايا E. coli، وكذلك بزيادة إنتاج الأنواع الكيميائية المطهّرة. وأظهر Esclapez وآخرون (2010) أنه عند استخدام مفاعل كهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية مصمّم خصيصًا (لكنه لم يُحسَّن) أثناء التوسّع في عملية تحليل حمض ثلاثي كلورو الأسيتيك (TCAA)، وفّر وجود مجال الموجات فوق الصوتية المولّد باستخدام UIP1000hd نتائج أفضل (نسبة التحويل 97%، وكفاءة التحلل 26%، والانتقائية 0.92، وكفاءة التيار 8%) عند شدّات أقل للموجات فوق الصوتية ومعدلات تدفق حجمي أقل. وبالنظر إلى أن المفاعل الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية على نطاق ما قبل التجريبي لم يكن قد خضع للتحسين بعد، فمن المرجّح جدًا إمكان تحسين هذه النتائج بدرجة أكبر.

الفولتمترية والترسيب الكهربائي بالموجات فوق الصوتية

أُجري الترسيب الكهربائي عند تيار ثابت بكثافة تيار قدرها 15 mA/cm2. خضعت المحاليل للمعالجة بالموجات فوق الصوتية قبل الترسيب الكهربائي لمدة 5–60 دقيقة. واستُخدم من Hielscher جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP200S بزمن دورة قدره 0.5. تحققت المعالجة بالموجات فوق الصوتية بغمر مسبار الموجات فوق الصوتية مباشرة في المحلول. ولتقييم تأثير الموجات فوق الصوتية في المحلول قبل الترسيب الكهربائي، استُخدمت الفولتمترية الدورية (CV) للكشف عن سلوك المحلول وإتاحة التنبؤ بالظروف المثالية للترسيب الكهربائي. ويُلاحظ أنه عندما يخضع المحلول للمعالجة بالموجات فوق الصوتية قبل الترسيب الكهربائي، يبدأ الترسيب عند قيم جهد أقل سلبية. وهذا يعني أنه عند التيار نفسه في المحلول، يلزم جهد أقل، لأن الأنواع الكيميائية في المحلول تكون أكثر نشاطًا من نظيراتها في المحاليل التي لم تخضع للمعالجة بالموجات فوق الصوتية. (راجع Yurdal & Karahan 2017)
اقرأ المزيد عن الترسيب الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية للطلاءات المعزّزة بالمواد النانوية!

مسابير كهروكيميائية عالية الأداء ومفاعلات SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics هي شريكك ذو الخبرة الطويلة في الأنظمة عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية. نُصنّع ونوزّع مسابير ومفاعلات متطوّرة بالموجات فوق الصوتية تُستخدم في جميع أنحاء العالم للتطبيقات الشاقة في البيئات الصعبة. وللكيمياء الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية، طوّرت Hielscher مسابير خاصة بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تعمل كمهبط و/أو مصعد، وكذلك خلايا مفاعلات بالموجات فوق الصوتية مناسبة للتفاعلات الكهروكيميائية. تتوفر الأقطاب والخلايا بالموجات فوق الصوتية للأنظمة الغلفانية / الفولتية وكذلك لأنظمة التحليل الكهربائي.

سعات اهتزاز قابلة للتحكم الدقيق لتحقيق نتائج مثلى

يمكن التحكم بدقة في جميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher، مما يجعلها أجهزة عمل موثوقة في البحث والتطوير والإنتاج. تُعدّ سعة الاهتزاز إحدى معلمات العملية الحاسمة التي تؤثر في كفاءة وفاعلية التفاعلات المستحثة كيميائيًا وميكانيكيًا بالموجات فوق الصوتية. تتيح جميع أجهزة المعالجة من Hielscher Ultrasonics ضبط سعة الاهتزاز بدقة. يمكن لأجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher توفير سعات اهتزاز عالية جدًا وتوفير شدة الموجات فوق الصوتية المطلوبة للتطبيقات الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية ذات المتطلبات العالية. ويمكن التشغيل المستمر بسهولة بسعات اهتزاز تصل إلى 200µm في تشغيل 24/7.
تتيح لك إعدادات سعة الاهتزاز الدقيقة والمراقبة المستمرة لمعلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية عبر برمجيات ذكية التأثير بدقة في التفاعل الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية. أثناء كل دورة معالجة بالموجات فوق الصوتية، تُسجَّل جميع معلمات الموجات فوق الصوتية تلقائيًا على بطاقة SD مدمجة، بحيث يمكن تقييم كل دورة والتحكم فيها. معالجة مثلى بالموجات فوق الصوتية لتحقيق أقصى كفاءة للتفاعلات الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية!
صُمّمت جميع المعدات للاستخدام 24/7/365 تحت الحمل الكامل، وتجعلها متانتها وموثوقيتها أجهزة عمل يمكن الاعتماد عليها في عمليتك الكهروكيميائية. وهذا يجعل معدات Hielscher بالموجات فوق الصوتية أدوات عمل موثوقة تلبّي متطلبات عمليتك الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية.

أعلى جودة – تصميم وتصنيع في ألمانيا

بصفتها شركة عائلية الملكية والإدارة، تمنح Hielscher الأولوية لأعلى معايير الجودة في أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية التي تنتجها. تُصمَّم جميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتُصنَّع وتُختبر بدقة في مقرّنا الرئيسي في Teltow بالقرب من برلين، ألمانيا. تجعل متانة معدات Hielscher بالموجات فوق الصوتية وموثوقيتها منها أجهزة عمل يمكن الاعتماد عليها في إنتاجك. ويُعدّ التشغيل 24/7 تحت الحمل الكامل وفي البيئات الصعبة سمة طبيعية لمسابير ومفاعلات Hielscher عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية.

اتصل بنا الآن وأخبرنا بمتطلبات عمليتك الكهروكيميائية! سنوصي لك بأنسب الأقطاب بالموجات فوق الصوتية وتجهيز المفاعل!