Електроултразвукова обработка – ултразвукови електроди

Електроултразвуковата обработка съчетава ефектите на електричеството с ефектите на ултразвуковата обработка. Hielscher Ultrasonics разработи нов и елегантен метод за използване на всеки сонотрод като електрод. Това насочва мощността на ултразвука директно към границата между ултразвуковия електрод и течността. Там той може да подпомогне електролизата, да подобри масопреноса и да разруши гранични слоеве или отлагания. Hielscher доставя оборудване за производствени приложения за електроултразвукова обработка при периодични и проточни процеси във всякакъв мащаб. Можете да комбинирате електроултразвуковата обработка с маноултразвукова обработка (налягане) и термоултразвукова обработка (температура).

Приложения на ултразвуковите електроди

Прилагането на ултразвук към електроди е нова технология, която носи ползи за множество различни процеси в електролизата, галванизацията, електропречистването, получаването на водород и електрокоагулацията, синтеза на частици или други електрохимични реакции. Hielscher Ultrasonics предлага готови за доставка ултразвукови електроди за научноизследователска и развойна дейност при електролиза в лабораторен или пилотен мащаб. След като изпитате и оптимизирате своя електролитен процес, можете да използвате ултразвуковото оборудване с производствени размери на Hielscher Ultrasonics, за да мащабирате резултатите от процеса до нива на промишлено производство. По-долу ще намерите предложения и препоръки за използването на ултразвукови електроди.

Соноелектролиза (ултразвукова електролиза)

Електролизата е взаимно преобразуване на атоми и йони чрез отнемане или добавяне на електрони в резултат на протичането на електрически ток. Продуктите на електролизата могат да имат агрегатно състояние, различно от това на електролита. Електролизата може да образува твърди вещества, като утайки или твърди слоеве върху който и да е от електродите. Като алтернатива електролизата може да образува газове, като водород, хлор или кислород. Ултразвуковото възбуждане на електрод може да отдели твърдите отлагания от повърхността му. Ултразвуковото обезгазяване бързо образува по-големи газови мехурчета от разтворените газове на микромехурчетата. Това води до по-бързо отделяне на газообразните продукти от електролита.

Ултразвуков UIP2000hdT (2000 вата, 20kHz) като катод и/или анод в електролитна клетка

Масопренос на повърхността на електрода, подобрен чрез ултразвук

По време на електролизата продуктите се натрупват близо до електродите или върху повърхността им. Ултразвуковото възбуждане е много ефективно средство за увеличаване на масопреноса в граничните слоеве. Този ефект осигурява контакт на свеж електролит с повърхността на електрода. Кавитационното течение отвежда продуктите на електролизата, като газове или твърди вещества, от повърхността на електрода. По този начин се предотвратява образуването на изолиращи слоеве, които възпрепятстват процеса.

Ефекти на ултразвука върху потенциала на разлагане

Ултразвуковото възбуждане на анода, катода или двата електрода може да повлияе на потенциала на разлагане или напрежението на разлагане. Известно е, че кавитацията сама по себе си разрушава молекули и образува свободни радикали или озон. Съчетаването на кавитация с електролиза при електролиза, подпомагана от ултразвук, може да повлияе на минималното необходимо напрежение между анода и катода на електролитната клетка, при което протича електролиза. Механичните и сонохимичните ефекти на кавитацията могат също да подобрят енергийната ефективност на електролизата.

Ултразвук при електрорафиниране и електролитно извличане

При електрорафинирането твърдите отлагания на метали, като мед, могат да се превърнат в суспензия от твърди частици в електролита. При електролитното извличане, наричано също електроекстракция, електроотлагането на метали от техните руди може да се превърне в твърда утайка. Често извличани чрез електролиза метали са олово, мед, злато, сребро, цинк, алуминий, хром, кобалт, манган, както и редкоземните и алкалните метали.
Ултразвуковата обработка е ефективно средство и за излужване на руди.

Соноелектролитно пречистване на течности

Пречистете течност, например воден разтвор като отпадъчни води, утайки или подобни, като прокарате разтвора през електрическото поле на два електрода! Електролизата може да дезинфекцира или пречиства водни разтвори. Подаването на разтвор на NaCI заедно с вода през електроди или по повърхността на електроди образува Cl2 или CIO2, които могат да окисляват примесите и да дезинфекцират водата или водните разтвори. Ако водата съдържа достатъчно естествени хлориди, добавянето не е необходимо.
Ултразвуковите вибрации на електрода могат да направят граничния слой между електрода и водата възможно най-тънък. Това може да подобри масопреноса с много порядъци. Ултразвуковите вибрации и кавитацията значително намаляват образуването на микроскопични мехурчета вследствие на поляризацията. Използването на ултразвукови електроди за електролиза значително подобрява процеса на електролитно пречистване.

Соноелектрокоагулация (ултразвукова електрокоагулация)

Електрокоагулацията е метод за пречистване на отпадъчни води чрез отстраняване на замърсители, като емулгирано масло, общи нефтени въглеводороди, трудноразградими органични вещества, суспендирани твърди вещества и тежки метали. Радиоактивни йони също могат да бъдат отстранени за пречистване на водата. Добавянето на ултразвукова обработка към електрокоагулацията, известно също като соноелектрокоагулация, има положителен ефект върху химичната потребност от кислород или ефективността на отстраняване на мътността. Комбинираните процеси на пречистване с електрокоагулация са показали значително подобрени резултати при отстраняването на замърсители от промишлени отпадъчни води. Интегрирането на етап, образуващ свободни радикали, като ултразвукова кавитация, с електрокоагулация показва синергия и подобрения в цялостния процес на пречистване. Целта на използването на тези хибридни ултразвуково-електролитни системи е да се повиши общата ефективност на пречистването и да се премахнат недостатъците на конвенционалните процеси на пречистване. Доказано е, че хибридните ултразвуково-електрокоагулационни реактори инактивират Escherichia coli във вода.

Ултразвуков UIP2000hdT (2000 вата, 20kHz) като сонокатод и/или соноанод в резервоар

Соноелектролитно генериране на реагенти или реактанти на място

Много химични процеси, като хетерогенни реакции или катализа, се повлияват благоприятно от ултразвуковото възбуждане и ултразвуковата кавитация. Сонохимичното въздействие може да увеличи скоростта на реакцията или да подобри добивите при превръщането.
Електродите, възбуждани чрез ултразвук, добавят ново мощно средство за химичните реакции. Сега можете да съчетаете предимствата на сонохимията с електролизата. Произвеждайте водород, хидроксидни йони, хипохлорит и много други йони или неутрални вещества директно в полето на ултразвукова кавитация. Продуктите на електролизата могат да действат като реагенти или като реактанти в химичната реакция.

Комбиниране на ултразвук с импулсно електрическо поле

Комбинацията от импулсно електрическо поле (PEF) и ултразвук (US) има положителни ефекти върху екстракцията на физикохимични, биоактивни съединения и химичната структура на екстрактите. При екстракцията на бадеми комбинираната обработка (PEF–US) е довела до най-високите нива на общи фенолни съединения, общи флавоноиди, кондензирани танини, съдържание на антоцианини и антиоксидантна активност. Тя е намалила мощността и металохелатиращата активност.
Ултразвукът (US) и импулсното електрическо поле (PEF) могат да се използват за повишаване на ефективността на процеса и производствените скорости при ферментационни процеси чрез подобряване на масопреноса и клетъчната пропускливост.
Комбинацията от обработка с импулсно електрическо поле и ултразвук оказва влияние върху кинетиката на сушенето с въздух и качеството на сушените зеленчуци, като моркови. Времето за сушене може да се намали с 20 до 40%, като се запазят свойствата при рехидратация.

Соноелектрохимия / ултразвукова електрохимия

Добавете електролиза, подпомагана от ултразвук, за да произвеждате реактанти или да изразходвате продукти на химични реакции, с цел да изместите крайното равновесие на химичната реакция или да промените пътя на протичането ѝ.

Предложена конфигурация на ултразвукови електроди

Иновативната конструкция на ултразвуковите устройства със сонда превръща стандартен ултразвуков сонотрод в електрод, вибриращ с ултразвукова честота. Това прави използването на ултразвук за електроди по-достъпно, по-лесно за интегриране и лесно за мащабиране до производствени нива. Други конструкции възбуждат само електролита между два невъзбуждани електрода. Засенчването и моделите на разпространение на ултразвуковите вълни дават по-слаби резултати в сравнение с директното възбуждане на електрода. Можете да добавите ултразвукови вибрации съответно към аноди или катоди. Разбира се, можете да променяте напрежението и полярността на електродите по всяко време. Електродите на Hielscher Ultrasonics лесно се монтират допълнително към съществуващи конфигурации.

Херметична соноелектролитна клетка и електрохимични реактори

Предлага се уплътнение, херметично при налягане, между ултразвуковия сонотрод (електрод) и реакторния съд. Затова можете да експлоатирате електролитната клетка при налягане, различно от околното. Комбинацията от ултразвук и налягане се нарича маноултразвукова обработка. Това може да представлява интерес, ако електролизата образува газове, при работа на по-високи температури или при работа с летливи течни компоненти. Херметично затворен електрохимичен реактор може да работи при налягания над или под околното налягане. Уплътнението между ултразвуковия електрод и реактора може да бъде електропроводимо или изолиращо. Вторият вариант позволява стените на реактора да се използват като втори електрод. Разбира се, реакторът може да има входни и изходни отвори, за да функционира като реактор с проточна клетка за непрекъснати процеси. Hielscher Ultrasonics предлага разнообразие от стандартизирани реактори и проточни клетки с риза. Като алтернатива можете да избирате измежду редица адаптери за монтиране на сонотроди на Hielscher към вашия електрохимичен реактор.

Концентрично разположение в тръбен реактор

Ако електродът, възбуждан чрез ултразвук, е близо до втори невъзбуждан електрод или до стената на реактора, ултразвуковите вълни се разпространяват през течността и въздействат също върху другите повърхности. Електрод, възбуждан чрез ултразвук и разположен концентрично в тръба или реактор, може да поддържа вътрешните стени свободни от замърсявания или натрупани твърди вещества.

Температура

При използване на стандартни сонотроди на Hielscher като електроди температурата на електролита може да бъде между 0 и 80 градуса Целзий. Сонотроди за други температури на електролита в диапазона от -273 градуса Целзий до 500 градуса Целзий се предлагат при поискване. Комбинацията от ултразвук и температура се нарича термоултразвукова обработка.

Вискозитет

Ако вискозитетът на електролита възпрепятства масопреноса, смесването чрез ултразвуково възбуждане по време на електролиза би могло да бъде полезно, тъй като подобрява преноса на материала към и от електродите.

Соноелектролиза с пулсиращ ток

Пулсиращият ток през електродите, възбуждани чрез ултразвук, води до продукти, различни от тези при постоянен ток (DC). Например пулсиращият ток може да увеличи съотношението на озона към кислорода, образувани на анода при електролиза на воден киселинен разтвор, например разредена сярна киселина. Електролизата на етанол с импулсен ток образува алдехид вместо предимно киселина.

Оборудване за електроултразвукова обработка

Hielscher Ultrasonics разработи специална соноелектрохимична модификация за промишлените преобразуватели. Модифицираният преобразувател работи с почти всички типове сонотроди на Hielscher.

Ултразвукови електроди (сонотроди)

Сонотродите са електрически изолирани от ултразвуковия генератор. Затова можете да подадете електрическо напрежение към ултразвуковия сонотрод, така че той да действа като електрод. Стандартното електроизолационно разстояние между сонотродите и заземяващия контакт е 2,5 mm. Следователно бихте могли да приложите до 2500 волта към сонотрода. Стандартните сонотроди са плътни и изработени от титан. Затова почти няма ограничение за тока през електрода. Титанът показва добра устойчивост на корозия в много алкални или киселинни електролити. Възможни са алтернативни материали за сонотродите, като алуминий (Al), стомана (Fe), неръждаема стомана, никел-хром-молибден или ниобий. Hielscher предлага икономически изгодни сонотроди, действащи като жертвени аноди, например изработени от алуминий или стомана.

Ултразвуков генератор, захранване

Ултразвуковият генератор не се нуждае от модификация и използва стандартен електрически контакт със заземяване. Разбира се, рогът на преобразувателя и всички външни повърхности на преобразувателя и генератора са свързани със заземяването на електрическия контакт. Сонотродът и един укрепващ елемент са единствените части, към които се подава електродното напрежение. Това улеснява проектирането на конфигурацията. Можете да свържете сонотрода към постоянен ток (DC), пулсиращ постоянен ток или променлив ток (AC). Ултразвуковите електроди могат да се използват съответно като аноди или катоди.

Производствено оборудване за процеси на електроултразвукова обработка

Можете да използвате всяко ултразвуково устройство на Hielscher, като UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT или UIP4000hdT, за да предадете до 4000 вата ултразвукова мощност към всеки стандартен сонотрод или каскатрод Cascatrode. Повърхностният интензитет на ултразвука върху повърхността на сонотрода може да бъде между 1 ват и 100 вата ват на квадратен сантиметър. Предлагат се различни геометрии на сонотроди с амплитуди от 1 микрометър до 150 микрометра (от пик до пик). Ултразвуковата честота от 20kHz е много ефективна за генериране на кавитация и акустично течение в електролита. Ултразвуковите устройства на Hielscher могат да работят 24 часа на ден, седем дни в седмицата. Можете да работите непрекъснато при пълна изходна мощност или импулсно, например за периодично почистване на електродите. Hielscher Ultrasonics може да достави ултразвукови електроди с до 16 киловата ултразвукова мощност (механично възбуждане) за всеки отделен електрод. Почти няма ограничение за електрическата мощност, която можете да подадете към електродите.

Още нещо: соноелектростатично разпръскване

Hielscher Ultrasonics произвежда оборудване за разпръскване, небулизация, атомизация или аерозолизация на течности. Сонотродът за ултразвуково разпръскване може да придаде положителен заряд на течната мъгла или аерозолите. Това съчетава ултразвуковото разпръскване с технологията за електростатично разпръскване, например за процеси на нанасяне на покрития.

Литература / източници

• Hielscher, Th. (2026): Electrodes and Inline Reactors: How Sono-Electrochemistry Improves Efficiency. Poster Presentation at GDCh Electrochemistry 22.09.2026 – 25.09.2026, Bayreuth/Germany
• 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.