Соноелектрохимия и нейните предимства

Тук ще намерите всичко, което трябва да знаете за ултразвуковата електрохимия (соноелектрохимия): принцип на работа, приложения, предимства и соноелектрохимично оборудване – цялата съществена информация за соноелектрохимията на една страница.

Защо да се прилага ултразвук в електрохимията?

Съчетаването на нискочестотни ултразвукови вълни с висок интензитет с електрохимични системи носи многобройни предимства, които подобряват ефективността и скоростта на превръщане при електрохимичните реакции.

Принципът на работа на ултразвука

За високопроизводителна ултразвукова обработка ултразвуков генератор генерира нискочестотен ултразвук с висок интензитет, който се предава в течност чрез ултразвукова сонда (сонотрод). За ултразвук с висока мощност се счита ултразвукът в диапазона 16–30kHz. Ултразвуковата сонда се разширява и свива например при 20kHz, като по този начин предава съответно 20 000 трептения в секунда в средата. Когато ултразвуковите вълни преминават през течността, редуващите се цикли на високо налягане (свиване) / ниско налягане (разреждане или разширяване) създават миниатюрни вакуумни мехурчета или кухини, които нарастват в продължение на няколко цикъла на налягане. По време на фазата на свиване на течността и мехурчетата налягането е положително, докато фазата на разреждане създава вакуум (отрицателно налягане). По време на циклите на свиване и разширяване кухините в течността нарастват, докато достигнат размер, при който вече не могат да поглъщат повече енергия. В този момент те имплодират бурно. Имплозията на тези кухини води до различни високоенергийни ефекти, известни като явлението акустична / ултразвукова кавитация. Акустичната кавитация се характеризира с многобройни високоенергийни ефекти, които въздействат върху течности, системи твърдо вещество/течност, както и системи газ/течност. Зоната с висока енергийна плътност, или кавитационната зона, е известна като т.нар. зона на горещи точки, в която енергийната плътност е най-висока в непосредствена близост до ултразвуковата сонда и намалява с увеличаване на разстоянието от сонотрода. Основните характеристики на ултразвуковата кавитация включват локално възникващи много високи температури и налягания и съответните им разлики, турбулентност и течения в течността. По време на имплозията на ултразвуковите кухини в ултразвуковите горещи точки могат да бъдат измерени температури до 5000 келвина, налягания до 200 атмосфери и течни струи със скорост до 1000km/h. Тези изключителни условия с висока енергийна интензивност допринасят за сономеханични и сонохимични ефекти, които интензифицират електрохимичните системи по различни начини.

Ефектите на ултразвука върху електрохимичните системи

Прилагането на ултразвукова обработка към електрохимични реакции е известно с различни ефекти върху електродите, т.е. анода и катода, както и върху електролитния разтвор. Ултразвуковата кавитация и акустичните течения създават значителни микродвижения, ударни течни струи и разбъркване в реакционната течност. Това води до подобрена хидродинамика и движение на сместа течност/твърдо вещество. Ултразвуковата кавитация намалява ефективната дебелина на дифузионния слой при електрода. Намаленият дифузионен слой означава, че ултразвуковата обработка свежда до минимум разликата в концентрациите, т.е. ултразвукът подпомага сближаването на концентрацията в близост до електрода и стойността на концентрацията в обема на разтвора. Влиянието на ултразвуковото разбъркване върху концентрационните градиенти по време на реакцията осигурява непрекъснато подаване на пресен разтвор към електрода и отвеждане на реагиралия материал. Това означава, че ултразвуковата обработка подобрява общата кинетика, като ускорява реакцията и увеличава добива от нея.
Чрез въвеждането на ултразвукова енергия в системата, както и чрез сонохимичното образуване на свободни радикали, може да бъде инициирана електрохимична реакция, която иначе би била електрохимично неактивна. Друг важен ефект на акустичните вибрации и течения е почистващото им действие върху повърхностите на електродите. Пасивиращите слоеве и замърсяванията по електродите ограничават ефективността и скоростта на електрохимичните реакции. Ултразвуковата обработка поддържа електродите постоянно чисти и напълно активни за реакцията. Ултразвуковата обработка е добре известна със своите дегазиращи ефекти, които са полезни и при електрохимични реакции. Чрез отстраняването на нежеланите газове от течността реакцията може да протича по-ефективно.

Приложения на соноелектрохимията

Соноелектрохимията може да се прилага в различни процеси и в различни отрасли. Много често срещани приложения на соноелектрохимията са следните:

• Синтез на наночастици (електросинтез)
• Синтез на водород
• Електрокоагулация
• Пречистване на отпадъчни води
• Разрушаване на емулсии
• Нанасяне на галванични покрития / електроотлагане
• Омично нагряване

Соноелектрохимичен синтез на наночастици

Ултразвуковата обработка е успешно приложена за синтез на различни наночастици в електрохимична система. Магнетит, нанотръби от кадмий–селен (CdSe), платинени наночастици (NPs), златни NPs, метален магнезий, бисмутен, наносребро, ултрафина мед, наночастици от волфрам–кобалтова (W–Co) сплав, нанокомпозит от самариев оксид/редуциран графенов оксид, медни наночастици с размер под 1nm, покрити с поли(акрилова киселина), и много други прахове с нанометрични размери са успешно произведени чрез соноелектрохимия.
Предимствата на соноелектрохимичния синтез на наночастици включват

• избягване на редуциращи агенти и повърхностноактивни вещества
• използване на вода като разтворител
• регулиране на размера на наночастиците чрез промяна на параметрите (ултразвукова мощност, плътност на тока, потенциал на отлагане и продължителностите на ултразвуковите спрямо електрохимичните импулси)

Ashasssi-Sorkhabi и Bagheri (2014) синтезират полипиролни филми соноелектрохимично и сравняват резултатите с електрохимично синтезирани полипиролни филми. Резултатите показват, че галваностатичното соноелектроотлагане създава силно прилепващ и гладък полипиролен (PPy) филм върху стомана при плътност на тока 4 mA cm–2 в разтвор на 0,1 M оксалова киселина/0,1 M пирол. Чрез соноелектрохимична полимеризация те получават PPy филми с висока устойчивост и жилавост и с гладка повърхност. Доказано е, че PPy покритията, получени чрез соноелектрохимия, осигуряват значителна защита от корозия на стомана St-12. Синтезираното покритие е еднородно и проявява висока устойчивост на корозия. Всички тези резултати могат да се дължат на факта, че ултразвукът подобрява масопреноса на реагентите и предизвиква високи скорости на химичните реакции чрез акустична кавитация и произтичащите от нея високи температури и налягания. Валидността на импедансните данни за границата стомана St-12/две PPy покрития/корозионни среди е проверена чрез преобразуванията KK и са наблюдавани ниски средни грешки.

Hass и Gedanken (2008) съобщават за успешния соноелектрохимичен синтез на наночастици от метален магнезий. Ефективностите на соноелектрохимичния процес с реагента Gringard в тетрахидрофуран (THF) или в разтвор на дибутилдиглим са съответно 41,35% и 33,08%. Добавянето на AlCl3 към разтвора на Gringard увеличава драстично ефективността, повишавайки я до 82,70% и 51,69% съответно в THF или дибутилдиглим.

Соноелектрохимично производство на водород

Електролизата, подпомагана от ултразвук, значително увеличава добива на водород от вода или алкални разтвори. Щракнете тук, за да прочетете повече за електролитния синтез на водород, ускорен чрез ултразвук!

Електрокоагулация, подпомагана от ултразвук

Прилагането на нискочестотен ултразвук към електрокоагулационни системи е известно като соноелектрокоагулация. Проучванията показват, че ултразвуковата обработка влияе положително върху електрокоагулацията, като води например до по-висока ефективност на отстраняване на железни хидроксиди от отпадъчни води. Положителното въздействие на ултразвука върху електрокоагулацията се обяснява с намаляването на пасивацията на електродите. Нискочестотният ултразвук с висок интензитет разрушава отложените твърди слоеве и ги отстранява ефективно, като по този начин поддържа електродите непрекъснато напълно активни. Освен това ултразвукът активира и двата вида йони, т.е. катионите и анионите, присъстващи в реакционната зона на електродите. Ултразвуковото разбъркване води до интензивни микродвижения на разтвора, които подават и отвеждат суровината и продукта към и от електродите.
Примери за успешни соноелектрокоагулационни процеси са редукцията на Cr(VI) до Cr(III) във фармацевтични отпадъчни води, отстраняването на общ фосфор от отпадъчни води на фината химическа промишленост с ефективност на отстраняване на фосфора 99,5% в рамките на 10 мин., отстраняването на оцветяване и ХПК от отпадъчни води на целулозно-хартиената промишленост и др. Съобщените ефективности на отстраняване на оцветяване, ХПК, Cr(VI), Cu(II) и P са съответно 100%, 95%, 100%, 97,3% и 99,84%. (вж. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Соноелектрохимично разграждане на замърсители

Електрохимичните реакции на окисление и/или редукция, подпомагани от ултразвук, се прилагат като мощен метод за разграждане на химични замърсители. Сономеханичните и сонохимичните механизми подпомагат електрохимичното разграждане на замърсителите. Кавитацията, генерирана чрез ултразвук, води до интензивно разбъркване, микросмесване, масопренос и отстраняване на пасивиращите слоеве от електродите. Тези кавитационни ефекти водят главно до подобряване на масопреноса между твърдата и течната фаза, т.е. между електродите и разтвора. Сонохимичните ефекти въздействат пряко върху молекулите. Хомолитичното разцепване на молекулите създава силно реактивни окислители. Във водни среди и в присъствието на кислород се образуват радикали като HO•, HO2• и O•. Известно е, че радикалите •OH са важни за ефективното разграждане на органични материали. Като цяло соноелектрохимичното разграждане показва висока ефективност и е подходящо за обработка на големи обеми потоци от отпадъчни води и други замърсени течности.
Например Lllanos и съавт. (2016) установяват, че при дезинфекция на вода се получава значителен синергичен ефект, когато електрохимичната система се интензифицира чрез ултразвукова обработка (соноелектрохимична дезинфекция). Установено е, че това увеличение на скоростта на дезинфекция е свързано с потискането на клетъчните агломерати на E. coli, както и с повишеното образуване на химични частици с дезинфекционно действие. Esclapez и съавт. (2010) показват, че при увеличаване на мащаба на разграждането на трихлороцетна киселина (TCAA) е използван специално проектиран соноелектрохимичен реактор (който обаче не е оптимизиран), а наличието на ултразвуково поле, генерирано с UIP1000hd, осигурява по-добри резултати (степен на превръщане 97%, ефективност на разграждане 26%, селективност 0,92 и токова ефективност 8%) при по-ниски ултразвукови интензитети и по-нисък обемен дебит. Като се има предвид фактът, че предпилотният соноелектрохимичен реактор все още не е оптимизиран, много вероятно е тези резултати да могат да бъдат подобрени още повече.

Ултразвукова волтамперометрия и електроотлагане

Електроотлагането е извършено галваностатично при плътност на тока 15 mA/cm2. Разтворите са подложени на ултразвукова обработка преди електроотлагането в продължение на 5–60 минути. Ултразвуковият апарат на Hielscher UP200S със сонда е използван при време на цикъла 0,5. Ултразвуковата обработка е осъществена чрез директно потапяне на ултразвуковата сонда в разтвора. За оценка на ултразвуковото въздействие върху разтвора преди електроотлагането е използвана циклична волтамперометрия (CV), за да се установи поведението на разтвора и да се даде възможност за прогнозиране на идеалните условия за електроотлагане. Наблюдава се, че когато разтворът се подложи на ултразвукова обработка преди електроотлагането, отлагането започва при по-малко отрицателни стойности на потенциала. Това означава, че при един и същ ток в разтвора е необходим по-малък потенциал, тъй като химичните частици в разтвора се държат по-активно, отколкото в разтвори, които не са подложени на ултразвукова обработка. (вж. Yurdal & Karahan 2017)
Прочетете повече за соноелектрохимичното отлагане на покрития, подобрени с наноматериали!

Високопроизводителни електрохимични сонди и SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics е вашият партньор с дългогодишен опит в областта на високопроизводителните ултразвукови системи. Ние произвеждаме и разпространяваме ултразвукови сонди и реактори с най-съвременна технология, които се използват по целия свят за приложения с високо натоварване в взискателни среди. За соноелектрохимията Hielscher разработи специални ултразвукови сонди, които могат да действат като катод и/или анод, както и ултразвукови реакторни клетки, подходящи за електрохимични реакции. Предлагат се ултразвукови електроди и клетки както за галванични / волтаични, така и за електролитни системи.

Прецизно управляеми амплитуди за оптимални резултати

Всички ултразвукови процесори на Hielscher позволяват прецизно управление и поради това са надеждни работни средства в научноизследователската и развойната дейност и в производството. Амплитудата е един от решаващите параметри на процеса, които влияят върху ефективността и резултатността на сонохимично и сономеханично предизвиканите реакции. Всички процесори на Hielscher Ultrasonics позволяват прецизно задаване на амплитудата. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher могат да осигуряват много високи амплитуди и необходимия ултразвуков интензитет за взискателни соноелектрохимични приложения. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7.
Прецизните настройки на амплитудата и постоянното наблюдение на параметрите на ултразвуковия процес чрез интелигентен софтуер ви дават възможност да влияете прецизно върху соноелектрохимичната реакция. По време на всеки цикъл на ултразвукова обработка всички ултразвукови параметри се записват автоматично на вградена SD карта, така че всеки цикъл може да бъде оценяван и контролиран. Оптимална ултразвукова обработка за най-ефективни соноелектрохимични реакции!
Цялото оборудване е създадено за използване 24/7/365 при пълно натоварване, а неговите здравина и надеждност го превръщат в основно работно средство във вашия електрохимичен процес. Това прави ултразвуковото оборудване на Hielscher надежден работен инструмент, който отговаря на изискванията на вашия соноелектрохимичен процес.

Най-високо качество – проектирано и произведено в Германия

Като семейна собственост и семейно управлявано предприятие Hielscher дава приоритет на най-високите стандарти за качество на своите ултразвукови процесори. Всички ултразвукови апарати се проектират, произвеждат и изпитват щателно в нашата централа в Телтов близо до Берлин, Германия. Здравината и надеждността на ултразвуковото оборудване на Hielscher го превръщат в основно работно средство във вашето производство. Работата 24/7 при пълно натоварване и в взискателни среди е естествена характеристика на високопроизводителните ултразвукови сонди и реактори на Hielscher.

Свържете се с нас сега и ни разкажете за изискванията на вашия електрохимичен процес! Ще ви препоръчаме най-подходящите ултразвукови електроди и реакторна конфигурация!