Тук ще намерите всичко, което трябва да знаете за ултразвукова електрохимия (sonoelectrochemistry): работен принцип, приложения, предимства и соно-електрохимични оборудване – цялата съответна информация за соноелектрохимията на една страница.

Защо да прилагате ултразвук към електрохимия?

Комбинацията от нискочестотни ултразвукови вълни с висока интензивност с електрохимични системи идва с многобройни ползи, които подобряват ефективността и скоростта на превръщане на електрохимичните реакции.

Принципът на работа на ултразвука

За високопроизводителна ултразвукова обработка, ултразвук с висока интензивност, нискочестотен се генерира от ултразвуков генератор и се предава чрез ултразвукова сонда (сонотрод) в течност. Ултразвукът с висока мощност се счита за ултразвук в диапазона от 16-30kHz. Ултразвуковата сонда се разширява и свива например, при 20kHz, като по този начин предава съответно 20 000 вибрации в секунда в средата. Когато ултразвуковите вълни преминават през течността, редуващите се цикли с високо налягане (компресия) / ниско налягане (рядко срещано или експанзия) създават минутни вакуумни мехурчета или кухини, които растат в няколко цикъла на налягане. По време на фазата на компресия на течността и мехурчетата налягането е положително, докато фазата на редфакцията произвежда вакуум (отрицателно налягане). По време на циклите на компресионно разширение, кухините в течността растат, докато достигнат размер, при който те не могат да абсорбират повече енергия. В този момент, те се взривяват насилствено. Имплозията на тези кухини води до различни силно енергични ефекти, които са известни като феномена на акустична / ултразвукова кавитация. Акустичната кавитация се характеризира с много енергични ефекти, които въздействат върху течности, твърди/течни системи, както и газови/ течни системи. Енергийната гъста зона или кавитационната зона е известна като така наречената зона на гореща точка, която е най-енергийно гъста в близост до ултразвуковата сонда и намалява с увеличаване на разстоянието от сонотрода. Основните характеристики на ултразвуковата кавитация включват локално възникващи много високи температури и налягия и съответните диференциали, турбуленции и течно стрийминг. По време на имплозията на ултразвукови кухини в ултразвукови горещи точки, температури до 5000 Келвин, налягане до 200 атмосфери и течни струи с до 1000km / h могат да бъдат измерени. Тези изключителни условия за енергийна интензивност допринасят за sonomechanical и sonochemical ефекти, които усилват електрохимичните системи по различни начини.

Ефектите на ултразвук върху електрохимични системи

Прилагането на ultrasonication за електрохимични реакции е известно за различни ефекти върху електродите, т.е. анод и катода, както и електролитен разтвор. Ултразвукова кавитация и акустично стрийминг генерират значително микро-движение, което възпрепятства течните струи и разбърква в реакционната течност. Това води до подобрена хидродинамика и движение на течността/твърдата смес. Ултразвукова кавитация намалява ефективната дебелина на дифузионния слой в електрод. Редуцираният дифузионен слой означава, че ултразвукът свежда до минимум разликата в концентрацията, което означава, че концентрацията в близост до електрод и концентрацията в насипния разтвор се насърчават ултразвуково. Влиянието на ултразвуковото разбъркване върху градиентите на концентрацията по време на реакцията осигурява постоянното подаване на свеж разтвор на електрод и картечно отрече от реакционния материал. Това означава, че ултразвукът подобрява общата кинетика ускоряване скоростта на реакция и увеличаване на добива на реакция.
Чрез въвеждането на ултразвукова енергия в системата, както и сонохимичното образуване на свободни радикали, електрохимични реакции, които иначе биха били електроинеактивни, може да бъде инициирана. 
Друг важен ефект на акустичната вибрация и поточното предаване е почистващият ефект върху повърхностите на електрода. Пасикулярните слоеве и замърсяването при електродите ограничават ефективността и скоростта на реакция на електрохимични реакции. Ultrasonication поддържа електродите постоянно чисти и напълно активни за реакция. Премахване на нежелани газове от течността, реакцията може да работи по-ефикасен.

Приложения на соноелектрохимия

Соноелектрохимията може да се прилага към различни процеси и в различни индустрии. Много често приложение на соноелектрохимия включват следното:

• Синтез на наночастици (електросинтеза)
• Синтез на водород
• Електрокоагулация
• Пречистване на отпадъчни води
• Прекъсване на емулсиите
• Галвано-лентов /Електродепозит

Соно-електрохимичен синтез на наночастици

Ultrasonication е успешно приложен за синтезиране на различни наночастици в електрохимична система. Магнитни нанотръби (CdSe), Наночастици от сплавни сплави от волфрамов (W-Co), наночастици от злато, магнезий, бисмутене, наноребриопроизводителна сплав, наночастици от сплав от волфрам-кобалт (W-Co), наночастици от графинооксид, суб-1nm поли(акрилова киселина) са били успешно произведени чрез използване на сосолектриохимицит.
Предимствата на синтеза на соноелектрично

• избягване на редуциращи агенти и повърхностноактивни вещества
• използване на вода като разтворител
• настройка на размера на наночастиците чрез различни параметри (ултразвукова мощност, плътност на тока, потенциал за отлагане и ултразвукови и електрохимични импулсни времена)

Ашси-Сорхаби и Багири (2014) синтезира полипироленови филми соноелектрично и сравнява резултатите с електрохеосинтезирани полипироленови филми. Резултатите показват, че галваностатичното соноелектрозеположиция е произвело силно прилепнал и гладък полипирола (PPy) филм върху стоманата, с тококис от 4 mA cm-2 в 0.1 M оксалова киселина/0.1 М пиролеен разтвор. Използвайки соноелектровата полимеризация, те получиха висока устойчивост и жилав PPy филми с гладка повърхност. Доказано е, че PPy покрития, приготвени от соноелектрохимия, осигуряват значителна защита от корозия на st-12 стомана. Синтезираното покритие е еднородно и показа висока устойчивост на корозия. Всички тези резултати могат да се отдадат на факта, че ултразвукът е подобрил масовия трансфер на реагентите и причинява високи химични реакции чрез акустична кавитация и произтичащите от това високи температури и налягия. Валидността на данните за импеданса за St-12 стомана/два PPy покрития/корозивен интерфейс е проверена с помощта на трансформации KK, и се наблюдават ниско средно-грешки.

Хейс и Гидакен (2008) съобщават за успешния синтез на метални магнезиеви наночастици. Ефективността в соноелектркохимичния процес на реагента Gringard в тетрахидрофуран (THF) или в разтвор на дибутиллиглай е съответно 41.35% и 33.08%. Добавянето на AlCl3 към gringard разтвор увеличава ефективността драстично, повишаването му до 82.70% и 51.69% в THF или dibutyldiglyme, съответно.

Производство на соно-електрохимични водороди

Ултразвуковата електролиза значително увеличава добива на водород от вода или алкални разтвори. Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвуково ускорен електролитния синтез на водород!

Ултразвуково подпомага електрокоагулация

Прилагането на нискочестотни ултразвук към електрокоагулационна система е известно като соно-електрокоагулация. Проучванията показват, че ултразвукът влияе положително на електрокоагулацията, което води до по-висока ефективност на отстраняване на железните хидроксиди от отпадъчните води. Положителното въздействие на ултразвука върху електрокоагулацията се обяснява с намаляването на пасивацията на електродите. Нискочестотни ултразвукови разрушавания слой и ги отстранява ефективно, като по този начин се запазват електродите постоянно активни. Освен това, ултразвукът активира двата вида йони, т.е. катиони и аниони, присъстващи в зоната на електродите. Ултразвуковото разбъркване води до високо микро-движение на разтвора за хранене и пренасяне на суровината и продукта към и от електродите.
Примери за успешни соно-електрокоагулиращи процеси са намаляването на Cr(VI) до Cr (III) във фармацевтичните отпадъчни води, отстраняването на общия фосфор от отпадните води на фината химическа промишленост с ефективност на отстраняването на фосфор е 99,5% в рамките на 10 мин., цвят и ХПК отстраняване от отпадъчните води на целулозната и хартиената промишленост и др. Отчетените ефективност на отстраняване на цветовете, COD, Cr(VI), Cu(II) и P са съответно 100%, 95%, 100%, 97,3% и 99,84%. (срв. Ал-Кудах & Ал-Шанаг, 2018)

Соно-електрохимично разграждане на замърсители

Ултразвуково насърчаване на електрохимични окисляване и / или намаляване на реакции се прилагат като мощен метод за влошаване на химическия замърсител. Sonomechanical и sonochemical механизми насърчават електрохимично разграждане на замърсители. Ултразвуково генерирана кавитация води до интензивно разбуждане, микро-смесване, масов трансфер и отстраняване на пасивиращи слоеве от електродите. Тези кавитационни ефекти водят главно до подобряване на преноса на солидна и течна маса между електродите и разтвора. Сонохимични ефекти пряко въздействие молекули. Хомолитичното разцепване на молекули създава силно реактивни оксиданти. Във водна среда и при наличие на кислород се произвеждат радикали като HO•, HO2 и O • •Радикалните СЛ са важни за ефективното разграждане на органичните материали. Като цяло, соно-електрохимичното разграждане показва висока ефективност и е подходящ за обработка на големи обеми от отпадъчни води и други замърсени течности.
Например, Lllanos et al. (2016) установи, че са получени значителни синергични ефекти за дезинфекция на вода, когато електрохимичната система се усилва чрез ултразвукова обработка (соно-електрохимична дезинфекция). Това увеличение на дезинфекцията е установено, че е свързано с потискане на клетките на Е. coli агаломерати, както и засилено производство на дезинфектант видове. 
Esclapez et al. (2010) показва, че специално проектиран соноелектрговко-химичния реактор (но не оптимизиран) е бил използван по време на мащабирането на разграждането на трихлороцетна киселина (TCAA), наличието на ултразвуково поле, генерирано с UIP1000hd, осигурява по-добри резултати (фракционна конверсия 97%, ефективност на разграждане 26%, селективност 0.92 и текуща ефективност 8%) при по-ниски интензитети на ултразвук и обемен поток. Като се има предвид факта, че предварително пилотният соноелектричен реактор все още не е оптимизиран, много е вероятно тези резултати да бъдат още по-добри.

Ултразвукова волтаметрия и електродепозиция

Електродепозиция се извършва галваностатично при плътност ток от 15 mA/cm2. Разтворите бяха подложени на ултразвук преди електродепозиция за 5-60 минути. 1000000000000000 UP200S тип ултразвукова сонда е била използвана при цикъл от 0,5. Ultrasonication се постига чрез директно потапяне на ултразвуковата сонда в разтвора. За оценка на ултразвуковото въздействие върху разтвора преди електродепозиция, се използва циклична волтаметрия (CV), за да се разкрие поведението на разтвора и дава възможност да се предскаже идеалното състояние за електродепозиция. Наблюдава се, че когато разтворът е подложен на ултразвук преди електродепозиция, отлагането започва с по-малко отрицателни потенциални стойности. Това означава, че в същия ток в разтвора се изисква по-малък потенциал, тъй като видът в разтвора се държи по-активно, отколкото в не-ултразвукови. (срв. & Карахан 2017)

Високопроизводителни електрохимични сонди и СоноЕлектроРеактори

Hielscher Ultrasonics е вашият дългогодишен опит партньор за високопроизводителни ултразвукови системи. Ние произвеждаме и разпространяваме най-съвременни ултразвукови сонди и реактори, които се използват в световен мащаб за тежки приложения в трудни среди. За соноелектрохимия, Hielscher е разработила специални ултразвукови сонди, които могат да действат като катод и / или анод, както и ултразвукови реакторни клетки, подходящи за електрохимични реакции. Ултразвукови електроди и клетки са на разположение за галванични / волтайни, както и електролитни системи.

Прецизно контролируеми амплитуди за оптимални резултати

Всички Ултразвукови процесори Hielscher са прецизно контролируеми и по този начин надеждни работни коне в R&D и производство. Амплитудата е един от най-важните параметри на процеса, които влияят на ефикасността и ефективността на sonochemically и sonomechanically индуцирани реакции. Всички Hielscher ултразвук’ процесори позволяват прецизна настройка на амплитудата. Hielscher's промишлени ултразвукови процесори могат да доставят много високи амплитуди и да доставят необходимата интензивност ултразвук за взискателни sono-electrochamical приложения. Амплитудите до 200μm могат лесно да се движат непрекъснато при работа 24/7.
Прецизните настройки на амплитудата и постоянното наблюдение на параметрите на ултразвуковия процес чрез интелигентен софтуер ви дават възможност да повлияете точно на соноелектрхимичната реакция. По време на всеки звуков сигнал всички ултразвукови параметри се записват автоматично на вградена SD-карта, така че всеки тиражи може да бъде оценен и контролиран. Оптимална ултразвук за най-ефективните соноелектрично-химични реакции!
Цялото оборудване е изградено за използване 24/7/365 при пълно натоварване и неговата здравина и надеждност го правят работният кон в електрохимичния процес. Това прави ултразвуковото оборудване на Hielscher надежден работен инструмент, който изпълнява вашите sonoelectrochemical технологични изисквания.

Най-високо качество – Проектиран и произведен в Германия

Като семеен и семеен бизнес, Hielscher приоритизира най-високите стандарти за качество за своите ултразвукови процесори. Всички ultrasonicators са проектирани, произведени и старателно тествани в нашата централа в Teltow близо до Берлин, Германия. Здравина и надеждност на ултразвуковото оборудване на Hielscher го правят работен кон в производството ви. 24/7 работа при пълно натоварване и в взискателни среди е естествена характеристика на високопроизводителни ултразвукови сонди и реактори hielscher.

Свържете се с нас сега и ни разкажете за вашите електрохимични процеси изисквания! Ще ви препоръчаме най-подходящите ултразвукови електроди и настройка на реактора!