منظومة الكيمياء الكهروصوتية – موجات فوق صوتية بقدرة 2000 واط

تجمع الكيمياء الكهروصوتية بين مزايا الكيمياء الكهربائية والكيمياء الصوتية. وتتمثل أكبر مزايا هاتين التقنيتين في بساطتهما وانخفاض تكلفتهما وقابلية إعادة إنتاج نتائجهما وتوسيع نطاقهما. تقدم Hielscher Ultrasonics منظومة متكاملة للكيمياء الكهروصوتية للاستخدام على دفعات أو ضمن خط المعالجة. وتتكون من:

• مولد متطور للموجات فوق الصوتية (2000 واط) مزود بضبط تلقائي وتحكم في السعة ونظام متقدم لتسجيل البيانات،
• محوّل قوي مزود ببوق للموجات فوق الصوتية (بمواصفات صناعية، 2000 واط، 20kHz)،
• عازل كهربائي لا يقلل الاهتزازات فوق الصوتية
• أبواق تعزيز للموجات فوق الصوتية لزيادة السعة أو خفضها
• تصاميم متنوعة للسونوترود (السونوترود هو القطب الكهربائي. كاثود أو أنود.)
• مفاعل خلية التدفق بجدران خلية قابلة للتبديل (الألومنيوم، الفولاذ المقاوم للصدأ، الفولاذ، النحاس، …)

لا تحتاج إلى إضاعة وقتك في تطوير منظومتك الخاصة لمجرد الجمع بين الموجات فوق الصوتية والكيمياء الكهربائية. ولا تحتاج إلى إجراء تعديلات كهربائية على معدات الموجات فوق الصوتية القياسية. احصل على هذه المنظومة الصناعية للكيمياء الكهروصوتية وكرّس جهودك ووقتك لأبحاثك الكيميائية وتحسين العمليات!

منظومة جاهزة للاستخدام في الكيمياء الكهروصوتية

تقدم Hielscher Ultrasonics منظومة سهلة الاستخدام للكيمياء الكهروصوتية ذات تهيئة مرنة وقابلة للتكييف. وتناسب هذه المنظومة أعمال البحث والتطوير العامة وتحسين العمليات، وكذلك الإنتاج على نطاق متوسط. ويمكن استخدام السونوترود في UIP2000hdT (2000 واط، 20kHz) بوصفه قطبًا كهربائيًا في منظومة تعمل على دفعات أو ضمن خط المعالجة باستخدام خلية التدفق. ويتميز بتصميم فريد للعزل الكهربائي. ولا تؤدي ترقية المحوّل للاستخدام في الكيمياء الكهروصوتية إلى خفض قدرة الموجات فوق الصوتية.
السونوترود/القطب الكهربائي القياسي مصنوع من التيتانيوم من الدرجة 5، ومصمم لتحسين تجانس شدة الموجات فوق الصوتية على امتداد جانبه. وتتوفر تصاميم أخرى ومواد أخرى مثل الألومنيوم أو الفولاذ أو الفولاذ المقاوم للصدأ. ويحتوي مفاعل خلية التدفق الخاص بهذا التصميم على جسم من الألومنيوم معزول كهربائيًا بواسطة الوصلات البلاستيكية عند كلا الطرفين. ويمكن استخدام مقطع الألومنيوم بوصفه قطبًا مضحيًا منخفض التكلفة، ويمكن استبداله بسهولة بمواد أخرى مثل الفولاذ أو الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس. وتتوفر أقطار أو تصاميم أخرى للخلية. وتحتوي الخلية الموضحة في الرسم على فجوة تبلغ نحو 2–4 mm بين القطب فوق الصوتي وجسم الخلية. ولذلك تتسبب الموجات فوق الصوتية أيضًا في حدوث جريان صوتي وتجويف على جسم الخلية. وتتوفر جميع العناصر القياسية لهذا التصميم في مستودعاتنا في ألمانيا والولايات المتحدة الأمريكية. وبالطبع، يمكنك استخدام المنظومة نفسها لجميع العمليات الأخرى غير الكهربائية التي تستخدم الموجات فوق الصوتية والكيمياء الصوتية. وتعمل هذه المنظومة أيضًا في العمليات المدعومة بالموجات فوق الصوتية ذات النبضات الكهربائية العالية (HEP).

مكونات متطورة بمواصفات صناعية

يستخدم العديد من العملاء UIP2000hdT لسد الفجوة بين الاختبارات على منضدة المختبر والإنتاج. وصُممت جميع أجهزة Hielscher للتشغيل المستمر – 24h/7d/365d. ويأتي UIP2000hdT مزودًا بشاشة تعمل باللمس وواجهة إيثرنت ونظام تسجيل بصيغة CSV متوافقة مع Excel على بطاقة SD على مدار 24/7، إضافة إلى مزدوج حراري لمراقبة درجة الحرارة. ويمكنك التحكم في UIP2000hdT عبر متصفحك. ويتوفر مستشعر ضغط رقمي يمكن توصيله بـ UIP2000hdT. ويمكن لـ UIP2000hdT أن يعرض لك القدرة الصافية الفعلية الخارجة عند القطب الكهربائي. وهي القدرة الميكانيكية الصافية للموجات فوق الصوتية في السائل. ويتيح لك ذلك مراقبة كل ثانية من المعالجة بالموجات فوق الصوتية والتحقق منها، للتحكم في العملية أو تحسينها، على سبيل المثال. وتوفر أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher نتائج ذات قابلية عالية لإعادة الإنتاج والتكرار. ويمكنك توسيع نطاق نتائجك خطيًا إلى مستوى الإنتاج. وبالطبع، سيدعمك الفريق التقني لدى Hielscher في إعداد التجارب المناسبة، وستعمل Hielscher معك لإنجاح عمليتك.

تلبي هذه المنظومة للكيمياء الكهروصوتية معظم المتطلبات. وقد يكون الشيء الوحيد المتبقي هو جهاز UIP2000hdT ثانٍ لاستخدامه بوصفه قطبًا كهربائيًا ثانيًا.

إذا كنت حديث العهد بهذا الفرع من الكيمياء، فستجد أدناه مزيدًا من المعلومات عن الكيمياء الصوتية والكيمياء الكهربائية والكيمياء الكهروصوتية.

الكيمياء الصوتية + الكيمياء الكهربائية = الكيمياء الكهروصوتية

الكيمياء الكهروصوتية هي الجمع بين الكيمياء الكهربائية والكيمياء الصوتية.

الكيمياء الكهربائية

تضيف الكيمياء الكهربائية الكهرباء إلى الكيمياء الفيزيائية. وهي وسيلة متقدمة لتنشيط الكواشف أو المواد المتفاعلة عن طريق نقل الإلكترونات. وتتيح إجراء تحولات كيميائية موجهة وانتقائية. والكيمياء الكهربائية ظاهرة سطحية.

الكيمياء الصوتية

تضيف الكيمياء الصوتية الجريان الصوتي والجريان الناتج عن التجويف وطاقة التنشيط إلى التفاعلات الكيميائية. وأهم آلية في الكيمياء الصوتية هي التجويف. ويؤدي انهيار فقاعات التجويف في مجال فوق صوتي إلى تكوين مناطق ساخنة موضعية ذات ظروف قصوى، مثل درجات حرارة تتجاوز 5000 كلفن، وضغوط تصل إلى 1000 ضغط جوي، ونفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 1000 كيلومتر في الساعة. وهذا يحسن التفاعلات الكهروكيميائية على سطح الأقطاب الكهربائية.
اقرأ المزيد عن الكيمياء الصوتية!

الكيمياء الكهروصوتية

تجمع الكيمياء الكهروصوتية بين التقنيتين المذكورتين أعلاه عن طريق تطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية على منظومة كهروكيميائية. وتؤثر الموجات فوق الصوتية في معلمات كهروكيميائية مهمة وفي كفاءة العمليات الكيميائية. ويُحسَّن المحلول الكهروكيميائي أو الديناميكا المائية للمادة المُحلَّلة كهروكيميائيًا في الخلية الكهروكيميائية بدرجة كبيرة بوجود الموجات فوق الصوتية. ويؤدي اقتران قطب كهربائي ببوق للموجات فوق الصوتية إلى تأثيرات إيجابية في نشاط سطح القطب وفي توزيع تركيز أنواع المادة المُحلَّلة كهروكيميائيًا في الخلية بأكملها. وتحسن التأثيرات الميكانيكية الصوتية انتقال كتلة الأنواع الكهروكيميائية من كتلة المحلول إلى السطح النشط كهروكيميائيًا. ويقلل القطب فوق الصوتي سماكة طبقة الانتشار عند سطح القطب، ويزيد سماكة الترسيب على القطب/الطلاء الكهربائي، ويزيد معدلات العمليات الكهروكيميائية ومردودها وكفاءتها، ويزيد مسامية الرواسب على القطب وصلابتها، ويحسن إزالة الغاز من المحاليل الكهروكيميائية؛ وينظف سطح القطب ويعيد تنشيطه، ويقلل الجهود الزائدة للقطب عن طريق إزالة تخميل المعدن وإزالة فقاعات الغاز من سطح القطب (بفعل التجويف والجريان الصوتي)، ويحد من تلوث القطب بالترسبات. وتشمل تطبيقات الكيمياء الكهروصوتية البلمرة الكهربائية، والتخثير الكهربائي، والتخليق الكهربائي العضوي، والكيمياء الكهربائية للمواد، والكيمياء الكهربائية البيئية، والكيمياء التحليلية الكهربائية، وإنتاج الهيدروجين، والترسيب على الأقطاب.

الكيمياء الكهروصوتية في تطبيقات كيمياء التدفق

إذا أجريت عمليات كهروصوتية في منظومة تدفق، فيمكنك ضبط زمن المكوث للتفاعلات الكهروصوتية عن طريق تغيير معدل التدفق. ويمكنك إعادة التدوير للتعرض المتكرر أو الضخ عبر الخلية مرة واحدة. وقد تكون إعادة التدوير مفيدة للتحكم في درجة الحرارة، مثلًا عن طريق التدفق عبر مبادل حراري للتبريد أو التسخين.
إذا استخدمت صمام ضغط خلفي عند مخرج مفاعل الخلية الكهروصوتية، فيمكنك زيادة الضغط داخل الخلية. ويُعد الضغط داخل الخلية معلمة مهمة جدًا لتكثيف المعالجة بالموجات فوق الصوتية والتأثير في إنتاج الأطوار الغازية. وهو مهم أيضًا عند العمل بمواد متفاعلة أو نواتج ذات درجة غليان منخفضة.
يتيح التشغيل في نمط التدفق عبر الخلية تشغيلًا مستمرًا، وبالتالي إنتاج أحجام أكبر.
إذا تدفقت المادة بين قطبين كهربائيين، مثل السونوترود وجدار الخلية، فيمكنك تقليل المسافة بين القطبين. ويتيح ذلك تحكمًا أفضل في عدد الإلكترونات المنقولة وانتقائية أفضل للتفاعل. ويمكن أن يحسن ذلك دقة المنتج وتوزيعه ومردوده.
بوجه عام، يمكن أن تكون التفاعلات الكهروصوتية في منظومة مفاعل خلية التدفق أسرع بكثير من التفاعل المناظر في عملية تُجرى على دفعات. ويمكن إتمام التفاعلات التي قد تستغرق عدة ساعات في عدة دقائق، مع إنتاج منتج أفضل.

المؤلفات / المراجع

• Bruno G. Pollet; Faranak Foroughi; Alaa Y. Faid; David R. Emberson; Md.H. Islam (2020): Does power ultrasound (26 kHz) affect the hydrogen evolution reaction (HER) on Pt polycrystalline electrode in a mild acidic electrolyte? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 69, December 2020.
• Md H. Islam; Odne S. Burheim; Bruno G.Pollet (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 51, March 2019. 533-555.
• Jayaraman Theerthagiri; Jagannathan Madhavan; Seung Jun Lee; Myong Yong Choi; Muthupandian Ashokkumar; Bruno G. Pollet (2020): Sonoelectrochemistry for energy and environmental applications. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 63, 2020.
• Bruno G. Pollet (2019): Does power ultrasound affect heterogeneous electron transfer kinetics? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 6-12.
• Md Hujjatul Islam; Michael T.Y. Paul; Odne S. Burheim; Bruno G. Pollet (2019): Recent developments in the sonoelectrochemical synthesis of nanomaterials. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 59, 2019.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
• M.D. Esclapez, V. Sáez, D. Milán-Yáñez, I. Tudela, O. Louisnard, J. González-García (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 6, 2010. 1010-1020.
• L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.