Elektrosonikacija – ultrazvučne elektrode

Elektrosonikacija je kombinacija efekata električne struje i efekata ultrazvučne obrade (sonikacije). Hielscher Ultrasonics razvio je novu i elegantnu metodu za korištenje bilo koje sonotrode kao elektrode. Time se snaga ultrazvuka dovodi direktno na međupovršinu između ultrazvučne elektrode i tekućine. Tamo može potaknuti elektrolizu, poboljšati prijenos mase te razbiti granične slojeve ili naslage. Hielscher isporučuje opremu proizvodne klase za procese elektrosonikacije u šaržnim i inline procesima u bilo kojem mjerilu. Elektrosonikaciju možete kombinirati s mano-sonikacijom (tlak) i termo-sonikacijom (temperatura).

Primjene ultrazvučnih elektroda

Primjena ultrazvuka na elektrode nova je tehnologija koja donosi prednosti u mnogim različitim procesima elektrolize, galvanizacije, elektropročišćavanja, proizvodnje vodika i elektrokoagulacije, sinteze čestica ili drugih elektrohemijskih reakcija. Hielscher Ultrasonics ima ultrazvučne elektrode odmah dostupne za istraživanje i razvoj te za elektrolizu u laboratorijskom ili pilot mjerilu. Nakon što testirate i optimizirate svoj elektrolitički proces, možete koristiti ultrazvučnu opremu proizvodne veličine kompanije Hielscher Ultrasonics kako biste rezultate svog procesa prenijeli na industrijski nivo proizvodnje. U nastavku ćete pronaći prijedloge i preporuke za upotrebu ultrazvučnih elektroda.

Sono-elektroliza (ultrazvučna elektroliza)

Elektroliza je razmjena atoma i iona uklanjanjem ili dodavanjem elektrona kao posljedica primjene električne struje. Produkti elektrolize mogu imati drugačije fizičko stanje od elektrolita. Elektrolizom mogu nastati čvrste tvari, kao što su talozi ili čvrsti slojevi na bilo kojoj od elektroda. Alternativno, elektrolizom mogu nastati plinovi, kao što su vodik, hlor ili kisik. Ultrazvučno miješanje elektrode može odlomiti čvrste naslage s površine elektrode. Ultrazvučno otplinjavanje brzo stvara veće mjehuriće plina iz otopljenih plinova mikromjehurića. To dovodi do bržeg odvajanja plinovitih produkata od elektrolita.

Ultrazvučni UIP2000hdT (2000 vati, 20kHz) kao katoda i/ili anoda u elektrolitičkoj ćeliji

Ultrazvučno pojačan prijenos mase na površini elektrode

Tokom procesa elektrolize produkti se nakupljaju u blizini elektroda ili na površini elektrode. Ultrazvučno miješanje vrlo je efikasan alat za povećanje prijenosa mase na graničnim slojevima. Ovaj efekt dovodi svjež elektrolit u kontakt s površinom elektrode. Kavitacijsko strujanje odvodi produkte elektrolize, kao što su plinovi ili čvrste tvari, s površine elektrode. Time se sprječava inhibitorno stvaranje izolacijskih slojeva.

Efekti ultrazvuka na potencijal razlaganja

Ultrazvučno miješanje anode, katode ili obje elektrode može utjecati na potencijal razlaganja ili napon razlaganja. Poznato je da sama kavitacija razbija molekule te stvara slobodne radikale ili ozon. Kombinacija kavitacije i elektrolize u ultrazvučno pojačanoj elektrolizi može utjecati na minimalni napon između anode i katode elektrolitičke ćelije potreban da bi došlo do elektrolize. Mehanički i sonohemijski efekti kavitacije mogu također poboljšati energetsku efikasnost elektrolize.

Ultrazvuk u elektrorafinaciji i elektroekstrakciji

U procesu elektrorafinacije čvrste naslage metala, kao što je bakar, mogu se pretvoriti u suspenziju čvrstih čestica u elektrolitu. U elektroekstrakciji, koja se naziva i elektrodobivanje, elektrotaloženje metala iz njihovih ruda može se pretvoriti u čvrsti talog. Uobičajeni metali dobiveni elektroekstrakcijom su olovo, bakar, zlato, srebro, cink, aluminij, hrom, kobalt, mangan te rijetki zemni i alkalni metali.
Ultrazvučna obrada je također efikasno sredstvo za luženje ruda.

Sono-elektrolitičko pročišćavanje tekućina

Pročistite tekućinu, npr. vodenu otopinu poput otpadne vode, mulja ili slično, tako da otopinu provedete kroz električno polje dviju elektroda! Elektroliza može dezinficirati ili pročistiti vodene otopine. Dovođenje otopine NaCI zajedno s vodom kroz elektrode ili preko elektroda stvara Cl2 ili CIO2, koji mogu oksidirati nečistoće i dezinficirati vodu ili vodene otopine. Ako voda sadrži dovoljno prirodnih hlorida, nema potrebe za dodavanjem.
Ultrazvučne vibracije elektrode mogu granični sloj između elektrode i vode učiniti što tanjim. Time se prijenos mase može poboljšati za više redova veličine. Ultrazvučne vibracije i kavitacija znatno smanjuju stvaranje mikroskopskih mjehurića uslijed polarizacije. Upotreba ultrazvučnih elektroda za elektrolizu znatno poboljšava proces elektrolitičkog pročišćavanja.

Sono-elektrokoagulacija (ultrazvučna elektrokoagulacija)

Elektrokoagulacija je metoda obrade otpadnih voda za uklanjanje zagađivača, kao što su emulgirano ulje, ukupni naftni ugljikovodici, postojane organske tvari, suspendirane čvrste tvari i teški metali. Također se mogu ukloniti radioaktivni ioni radi pročišćavanja vode. Dodavanje ultrazvučne obrade elektrokoagulaciji, poznate i kao sono-elektrokoagulacija, ima pozitivan učinak na hemijsku potrošnju kisika ili efikasnost uklanjanja mutnoće. Kombinirani postupci obrade elektrokoagulacijom pokazali su znatno poboljšane performanse u uklanjanju zagađivača iz industrijskih otpadnih voda. Integracija koraka koji stvara slobodne radikale, kao što je ultrazvučna kavitacija, s elektrokoagulacijom pokazuje sinergiju i poboljšanja u cjelokupnom procesu čišćenja. Svrha primjene ovih ultrazvučno-elektrolitičkih hibridnih sistema jeste povećati ukupnu efikasnost obrade i otkloniti nedostatke konvencionalnih postupaka obrade. Dokazano je da hibridni ultrazvučno-elektrokoagulacijski reaktori inaktiviraju Escherichia coli u vodi.

Ultrazvučni UIP2000hdT (2000 vati, 20kHz) kao sono-katoda i/ili sono-anoda u spremniku

Sono-elektrolitičko in-situ stvaranje reagenasa ili reaktanata

Mnogi hemijski procesi, kao što su heterogene reakcije ili kataliza, imaju koristi od ultrazvučnog miješanja i ultrazvučne kavitacije. Sonohemijski utjecaj može povećati brzinu reakcije ili poboljšati prinos konverzije.
Ultrazvučno miješane elektrode dodaju hemijskim reakcijama novi snažan alat. Sada možete kombinirati prednosti sonohemije s elektrolizom. Proizvedite vodik, hidroksidne ione, hipohlorit i mnoge druge ione ili neutralne tvari direktno u polju ultrazvučne kavitacije. Produkti elektrolize mogu djelovati kao reagensi ili kao reaktanti u hemijskoj reakciji.

Kombinacija ultrazvuka s pulsirajućim električnim poljem

Kombinacija pulsirajućeg električnog polja (PEF) i ultrazvuka (US) ima pozitivne učinke na ekstrakciju fizikohemijskih, bioaktivnih spojeva i na hemijsku strukturu ekstrakata. U ekstrakciji badema kombinirana obrada (PEF–US) dala je najviše razine ukupnih fenola, ukupnih flavonoida, kondenziranih tanina, sadržaja antocijana i antioksidacijske aktivnosti. Smanjila je snagu i aktivnost heliranja metala.
Ultrazvuk (US) i pulsirajuće električno polje (PEF) mogu se primijeniti za poboljšanje efikasnosti procesa i stopa proizvodnje u procesima fermentacije poboljšanjem prijenosa mase i permeabilnosti ćelija.
Kombinacija obrade pulsirajućim električnim poljem i ultrazvukom utječe na kinetiku sušenja zrakom i kvalitetu osušenog povrća, kao što je mrkva. Vrijeme sušenja može se skratiti za 20 do 40%, uz zadržavanje svojstava rehidracije.

Sono-elektrohemija / ultrazvučna elektrohemija

Dodajte ultrazvučno pojačanu elektrolizu kako biste proizveli reaktante ili potrošili produkte hemijskih reakcija s ciljem pomjeranja konačne ravnoteže hemijske reakcije ili promjene puta hemijske reakcije.

Predloženi raspored ultrazvučnih elektroda

Inovativna konstrukcija ultrazvučnih uređaja sondnog tipa pretvara standardnu ultrazvučnu sonotrodu u ultrazvučno vibrirajuću elektrodu. Time je ultrazvuk za elektrode pristupačniji, lakše se integrira i jednostavno se skalira do proizvodnih razmjera. Druge izvedbe miješale su elektrolit samo između dviju nepokretnih elektroda. Zasjenjenje i obrasci širenja ultrazvučnih valova daju lošije rezultate u usporedbi s direktnim miješanjem elektrode. Ultrazvučne vibracije možete dodati anodama ili katodama, odnosno prema potrebi. Naravno, napon i polaritet elektroda možete mijenjati u bilo kojem trenutku. Elektrode kompanije Hielscher Ultrasonics lako se naknadno ugrađuju u postojeće postavke.

Zatvorena sono-elektrolitička ćelija i elektrohemijski reaktori

Dostupna je tlačno nepropusna brtva između ultrazvučne sonotrode (elektrode) i posude reaktora. Stoga elektrolitičku ćeliju možete koristiti pri tlaku različitom od atmosferskog. Kombinacija ultrazvuka i tlaka naziva se mano-sonikacija. To može biti zanimljivo ako se elektrolizom stvaraju plinovi, pri radu na višim temperaturama ili pri radu s hlapljivim tekućim komponentama. Čvrsto zatvoreni elektrohemijski reaktor može raditi pri tlakovima iznad ili ispod atmosferskog tlaka. Brtva između ultrazvučne elektrode i reaktora može biti električno provodljiva ili izolacijska. Potonje omogućuje da se stijenke reaktora koriste kao druga elektroda. Naravno, reaktor može imati ulazne i izlazne priključke kako bi djelovao kao reaktor s protočnom ćelijom za kontinuirane procese. Hielscher Ultrasonics nudi niz standardiziranih reaktora i protočnih ćelija s košuljicom. Alternativno, možete odabrati iz niza adaptera za prilagodbu Hielscher sonotroda vašem elektrohemijskom reaktoru.

Koncentrični raspored u cijevnom reaktoru

Ako se ultrazvučno miješana elektroda nalazi u blizini druge nepokretne elektrode ili u blizini stijenke reaktora, ultrazvučni valovi šire se kroz tekućinu i djelovat će i na ostale površine. Ultrazvučno miješana elektroda koja je koncentrično postavljena u cijevi ili u reaktoru može održavati unutrašnje stijenke bez onečišćenja i nakupljenih čvrstih tvari.

Temperatura

Kada se standardne Hielscher sonotrode koriste kao elektrode, temperatura elektrolita može biti između 0 i 80 stepeni Celzijusa. Sonotrode za druge temperature elektrolita u rasponu od -273 stepena Celzijusa do 500 stepeni Celzijusa dostupne su na zahtjev. Kombinacija ultrazvuka s temperaturom naziva se termo-sonikacija.

Viskoznost

Ako viskoznost elektrolita ometa prijenos mase, ultrazvučno miješanje tokom elektrolize moglo bi biti korisno jer poboljšava prijenos materijala prema elektrodama i od njih.

Sono-elektroliza s pulsirajućom strujom

Pulsirajuća struja na ultrazvučno miješanim elektrodama daje produkte različite od onih pri jednosmjernoj struji (DC). Na primjer, pulsirajuća struja može povećati omjer ozona i kisika nastalih na anodi pri elektrolizi vodene kisele otopine, npr. razrijeđene sumporne kiseline. Elektroliza etanola pulsirajućom strujom daje aldehid umjesto prvenstveno kiseline.

Oprema za elektrosonikaciju

Hielscher Ultrasonics razvio je posebnu sonoelektrohemijsku nadogradnju za industrijske pretvarače. Nadograđeni pretvarač radi s gotovo svim vrstama Hielscher sonotroda.

Ultrazvučne elektrode (sonotrode)

Sonotrode su električno izolirane od ultrazvučnog generatora. Stoga ultrazvučnu sonotrodu možete priključiti na električni napon tako da sonotroda može djelovati kao elektroda. Standardni električni izolacijski razmak između sonotroda i uzemljenog kontakta iznosi 2,5 mm. Stoga biste na sonotrodu mogli dovesti do 2500 volti. Standardne sonotrode su masivne i izrađene od titana. Stoga gotovo da nema ograničenja struje elektrode. Titan pokazuje dobru otpornost na koroziju u mnogim alkalnim ili kiselim elektrolitima. Mogući su alternativni materijali sonotroda, kao što su aluminij (Al), čelik (Fe), nehrđajući čelik, nikal-hrom-molibden ili niobij. Hielscher nudi isplative sonotrode s žrtvenom anodom, npr. izrađene od aluminija ili čelika.

Ultrazvučni generator, napajanje

Ultrazvučni generator ne zahtijeva nikakvu preinaku i koristi standardnu električnu utičnicu s uzemljenjem. Rog pretvarača i sve vanjske površine pretvarača i generatora naravno su spojeni na uzemljenje utičnice. Sonotroda i element za učvršćenje jedini su dijelovi spojeni na napon elektrode. To olakšava konstrukciju postavke. Sonotrodu možete priključiti na jednosmjernu struju (DC), pulsirajuću jednosmjernu struju ili izmjeničnu struju (AC). Ultrazvučne elektrode mogu se koristiti kao anode ili katode, odnosno prema potrebi.

Proizvodna oprema za procese elektrosonikacije

Možete koristiti bilo koji Hielscher ultrazvučni uređaj, kao što su UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT ili UIP4000hdT, za prijenos do 4000 vati ultrazvučne snage na bilo koju standardnu sonotrodu ili kaskatrodu. Ultrazvučni intenzitet na površini sonotrode može iznositi između 1 vat do 100 vati vat po kvadratnom centimetru. Dostupne su različite geometrije sonotroda s amplitudama od 1 mikrona do 150 mikrona (vrh–vrh). Ultrazvučna frekvencija od 20kHz vrlo je efikasna u stvaranju kavitacije i akustičnog strujanja u elektrolitu. Hielscher ultrazvučni uređaji mogu raditi 24 sata dnevno, sedam dana u sedmici. Možete raditi kontinuirano pri punoj izlaznoj snazi ili pulsirajuće, npr. za periodično čišćenje elektroda. Hielscher Ultrasonics može isporučiti ultrazvučne elektrode s ultrazvučnom snagom do 16 kilovata (mehaničko miješanje) po pojedinačnoj elektrodi. Gotovo da nema ograničenja za električnu snagu koju možete priključiti na elektrode.

Još nešto: sono-elektrostatsko raspršivanje

Hielscher Ultrasonics proizvodi opremu za raspršivanje, nebulizaciju, atomizaciju ili aerosolizaciju tekućina. Ultrazvučna sonotroda za raspršivanje može tekućoj magli ili aerosolima dati pozitivan naboj. Time se ultrazvučno raspršivanje kombinira s tehnologijom elektrostatskog raspršivanja, npr. za procese nanošenja premaza.

Literatura / reference

• 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.