Sonoelektrohemija i njene prednosti

Ovdje ćete pronaći sve što trebate znati o ultrazvučnoj elektrohemiji (sonoelektrohemiji): princip rada, primjene, prednosti i sonoelektrohemijska oprema – sve relevantne informacije o sonoelektrohemiji na jednoj stranici.

Zašto primjenjivati ultrazvuk u elektrohemiji?

Kombinacija ultrazvučnih talasa niske frekvencije i visokog intenziteta s elektrohemijskim sistemima donosi mnogostruke prednosti koje poboljšavaju efikasnost i stepen konverzije elektrohemijskih reakcija.

Princip rada ultrazvuka

Za visokoefikasnu ultrazvučnu obradu, ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije stvara ultrazvučni generator i prenosi se putem ultrazvučne sonde (sonotrode) u tečnost. Ultrazvukom velike snage smatra se ultrazvuk u rasponu od 16-30kHz. Ultrazvučna sonda se širi i skuplja, npr. pri 20kHz, čime u medij prenosi 20.000 vibracija u sekundi. Kada ultrazvučni talasi prolaze kroz tečnost, naizmjenični ciklusi visokog pritiska (kompresija) / niskog pritiska (razrjeđenje ili ekspanzija) stvaraju sićušne vakuumske mjehuriće ili šupljine, koje rastu tokom nekoliko ciklusa pritiska. Tokom faze kompresije tečnosti i mjehurića pritisak je pozitivan, dok faza razrjeđenja stvara vakuum (negativan pritisak). Tokom ciklusa kompresije i ekspanzije šupljine u tečnosti rastu sve dok ne dostignu veličinu pri kojoj ne mogu apsorbirati više energije. U toj tački snažno implodiraju. Implozija tih šupljina dovodi do različitih visokoenergetskih efekata, poznatih kao fenomen akustične / ultrazvučne kavitacije. Akustičnu kavitaciju karakteriziraju mnogostruki visokoenergetski efekti koji djeluju na tečnosti, sisteme čvrsto/tečno, kao i sisteme gas/tečnost. Zona visoke gustoće energije, odnosno kavitacijska zona, poznata je kao tzv. zona žarišta (hot-spot), koja je najgušća po energiji u neposrednoj blizini ultrazvučne sonde, a opada s povećanjem udaljenosti od sonotrode. Glavne karakteristike ultrazvučne kavitacije uključuju lokalno nastajanje veoma visokih temperatura i pritisaka te odgovarajućih razlika, turbulencije i strujanje tečnosti. Tokom implozije ultrazvučnih šupljina u ultrazvučnim žarištima mogu se izmjeriti temperature do 5000 kelvina, pritisci do 200 atmosfera i mlazevi tečnosti brzine do 1000km/h. Ovi izuzetni uslovi visokog intenziteta energije doprinose sonomehaničkim i sonohemijskim efektima koji na različite načine intenziviraju elektrohemijske sisteme.

Efekti ultrazvuka na elektrohemijske sisteme

Primjena ultrazvučne obrade na elektrohemijske reakcije poznata je po različitim efektima na elektrode, tj. anodu i katodu, kao i na elektrolitičku otopinu. Ultrazvučna kavitacija i akustično strujanje stvaraju značajno mikrokretanje, udarne mlazeve tečnosti i miješanje u reakcijskom fluidu. To rezultira poboljšanom hidrodinamikom i kretanjem smjese tečnosti i čvrste tvari. Ultrazvučna kavitacija smanjuje efektivnu debljinu difuzijskog sloja na elektrodi. Smanjeni difuzijski sloj znači da ultrazvučna obrada minimizira razliku koncentracija, odnosno da se ultrazvukom potiče približavanje koncentracije u blizini elektrode i vrijednosti koncentracije u masi otopine. Utjecaj ultrazvučnog miješanja na gradijente koncentracije tokom reakcije osigurava stalno dovođenje svježe otopine do elektrode i odvođenje izreagirane tvari. To znači da je ultrazvučna obrada poboljšala ukupnu kinetiku, ubrzavajući brzinu reakcije i povećavajući prinos reakcije.
Uvođenjem ultrazvučne energije u sistem, kao i sonohemijskim stvaranjem slobodnih radikala, može se pokrenuti elektrohemijska reakcija koja bi inače bila elektroinaktivna. Još jedan važan efekat akustičnih vibracija i strujanja je efekat čišćenja površina elektroda. Pasivirajući slojevi i naslage na elektrodama ograničavaju efikasnost i brzinu reakcije elektrohemijskih reakcija. Ultrazvučna obrada održava elektrode stalno čistim i potpuno aktivnim za reakciju. Ultrazvučna obrada je dobro poznata po efektima otplinjavanja, koji su korisni i u elektrohemijskim reakcijama. Uklanjanjem neželjenih gasova iz tečnosti reakcija može teći efikasnije.

Primjene sonoelektrohemije

Sonoelektrohemija se može primijeniti na različite procese i u različitim industrijama. Veoma česte primjene sonoelektrohemije uključuju sljedeće:

• Sinteza nanočestica (elektrosinteza)
• Sinteza vodika
• Elektrokoagulacija
• Obrada otpadnih voda
• Razbijanje emulzija
• Galvanizacija / elektrodepozicija
• Omsko zagrijavanje

Sonoelektrohemijska sinteza nanočestica

Ultrazvučna obrada uspješno je primijenjena za sintezu raznih nanočestica u elektrohemijskom sistemu. Magnetit, nanocijevi kadmij-selen (CdSe), nanočestice platine (NP), NP zlata, metalni magnezij, bismutén, nanosrebro, ultrafini bakar, nanočestice legure volfram–kobalt (W–Co), nanokompozit samarija/reducirani grafen-oksid, nanočestice bakra manje od 1nm prekrivene poli(akrilnom kiselinom) i mnogi drugi nanoveličinski prahovi uspješno su proizvedeni primjenom sonoelektrohemije.
Prednosti sonoelektrohemijske sinteze nanočestica uključuju

• izbjegavanje redukcijskih sredstava i surfaktanata
• upotrebu vode kao otapala
• podešavanje veličine nanočestica variranjem parametara (ultrazvučna snaga, gustoća struje, potencijal depozicije i trajanje ultrazvučnih naspram elektrohemijskih impulsa)

Ashasssi-Sorkhabi i Bagheri (2014) sonoelektrohemijski su sintetizirali filmove polipirola i uporedili rezultate s elektrohemijski sintetiziranim filmovima polipirola. Rezultati pokazuju da je galvanostatska sonoelektrodepozicija proizvela snažno prianjajući i glatki film polipirola (PPy) na čeliku, pri gustoći struje od 4 mA cm–2 u otopini 0,1 M oksalne kiseline/0,1 M pirola. Primjenom sonoelektrohemijske polimerizacije dobili su visokootporne i žilave PPy filmove glatke površine. Pokazalo se da PPy prevlake pripremljene sonoelektrohemijom pružaju znatnu zaštitu od korozije čelika St-12. Sintetizirana prevlaka bila je ujednačena i pokazala je visoku otpornost na koroziju. Svi ovi rezultati mogu se pripisati činjenici da je ultrazvuk pojačao prijenos mase reaktanata i uzrokovao visoke brzine hemijskih reakcija putem akustične kavitacije i posljedičnih visokih temperatura i pritisaka. Valjanost podataka impedancije za granicu faza čelik St-12/dvije PPy prevlake/korozivni mediji provjerena je pomoću KK transformacija, a uočene su niske prosječne greške.

Hass i Gedanken (2008) izvijestili su o uspješnoj sonoelektrohemijskoj sintezi nanočestica metalnog magnezija. Efikasnosti sonoelektrohemijskog procesa s Gringardovim reagensom u tetrahidrofuranu (THF) ili u otopini dibutildiglima iznosile su 41,35% odnosno 33,08%. Dodavanje AlCl3 Gringardovoj otopini dramatično je povećalo efikasnost, na 82,70% odnosno 51,69% u THF-u ili dibutildiglimu.

Sonoelektrohemijska proizvodnja vodika

Ultrazvučno potaknuta elektroliza značajno povećava prinos vodika iz vode ili alkalnih otopina. Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučno ubrzanoj elektrolitičkoj sintezi vodika!

Ultrazvučno potpomognuta elektrokoagulacija

Primjena ultrazvuka niske frekvencije na sisteme elektrokoagulacije poznata je kao sonoelektrokoagulacija. Studije pokazuju da ultrazvučna obrada pozitivno utječe na elektrokoagulaciju, što rezultira npr. većom efikasnošću uklanjanja željezovih hidroksida iz otpadnih voda. Pozitivan utjecaj ultrazvuka na elektrokoagulaciju objašnjava se smanjenjem pasivizacije elektroda. Ultrazvuk niske frekvencije i visokog intenziteta razgrađuje nataložene čvrste slojeve i efikasno ih uklanja, čime elektrode neprekidno ostaju potpuno aktivne. Nadalje, ultrazvuk aktivira obje vrste iona, tj. katione i anione, prisutne u reakcijskoj zoni elektroda. Ultrazvučno miješanje rezultira snažnim mikrokretanjem otopine koje dovodi sirovinu i proizvod do elektroda i odvodi ih od njih.
Primjeri uspješnih procesa sonoelektrokoagulacije su redukcija Cr(VI) u Cr(III) u farmaceutskim otpadnim vodama, uklanjanje ukupnog fosfora iz efluenata industrije fine hemije uz efikasnost uklanjanja fosfora od 99,5% u roku od 10 min., te uklanjanje boje i KPK iz efluenata industrije celuloze i papira itd. Prijavljene efikasnosti uklanjanja boje, KPK, Cr(VI), Cu(II) i P iznosile su 100%, 95%, 100%, 97,3% odnosno 99,84%. (usp. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sonoelektrohemijska razgradnja zagađivača

Ultrazvučno potaknute elektrohemijske reakcije oksidacije i/ili redukcije primjenjuju se kao snažna metoda za razgradnju hemijskih zagađivača. Sonomehanički i sonohemijski mehanizmi potiču elektrohemijsku razgradnju zagađivača. Ultrazvučno generirana kavitacija rezultira intenzivnim miješanjem, mikromiješanjem, prijenosom mase i uklanjanjem pasivirajućih slojeva s elektroda. Ovi kavitacijski efekti uglavnom dovode do pojačanog prijenosa mase čvrsto-tečno između elektroda i otopine. Sonohemijski efekti djeluju direktno na molekule. Homolitičko cijepanje molekula stvara visokoreaktivne oksidanse. U vodenim medijima i u prisustvu kisika nastaju radikali poput HO•, HO2• i O•. Poznato je da su •OH radikali važni za efikasno razlaganje organskih materijala. Sveukupno, sonoelektrohemijska razgradnja pokazuje visoku efikasnost i pogodna je za obradu velikih količina tokova otpadnih voda i drugih zagađenih tečnosti.
Na primjer, Lllanos i saradnici (2016) utvrdili su da su postignuti značajni sinergijski efekti u dezinfekciji vode kada je elektrohemijski sistem intenzifikovan ultrazvučnom obradom (sonoelektrohemijska dezinfekcija). Utvrđeno je da je ovo povećanje brzine dezinfekcije povezano sa suzbijanjem aglomerata ćelija E. coli, kao i s pojačanom proizvodnjom dezinfekcijskih vrsta. Esclapez i saradnici (2010) pokazali su da je posebno konstruisan sonoelektrohemijski reaktor (iako neoptimiziran) korišten tokom povećanja razmjera razgradnje trihloroctene kiseline (TCAA), a prisustvo ultrazvučnog polja generiranog uređajem UIP1000hd dalo je bolje rezultate (frakcijska konverzija 97%, efikasnost razgradnje 26%, selektivnost 0,92 i strujna efikasnost 8%) pri nižim ultrazvučnim intenzitetima i volumetrijskom protoku. S obzirom na to da pre-pilot sonoelektrohemijski reaktor još nije bio optimiziran, vrlo je vjerovatno da se ovi rezultati mogu još dodatno poboljšati.

Ultrazvučna voltametrija i elektrodepozicija

Elektrodepozicija je provedena galvanostatski pri gustoći struje od 15 mA/cm2. Otopine su prije elektrodepozicije podvrgnute ultrazvučnoj obradi u trajanju od 5–60 minuta. Korišten je Hielscher ultrazvučni uređaj sa sondom UP200S pri vremenu ciklusa od 0,5. Ultrazvučna obrada postignuta je direktnim uranjanjem ultrazvučne sonde u otopinu. Za procjenu ultrazvučnog utjecaja na otopinu prije elektrodepozicije korištena je ciklička voltametrija (CV) kako bi se otkrilo ponašanje otopine i omogućilo predviđanje idealnih uslova za elektrodepoziciju. Uočeno je da, kada je otopina prije elektrodepozicije podvrgnuta ultrazvučnoj obradi, depozicija počinje pri manje negativnim vrijednostima potencijala. To znači da je pri istoj struji u otopini potreban manji potencijal, jer se čestice u otopini ponašaju aktivnije nego u neultrazvučno obrađenim otopinama. (usp. Yurdal & Karahan 2017)
Saznajte više o sonoelektrohemijskoj depoziciji nanopoboljšanih prevlaka!

Visokoefikasne elektrohemijske sonde i SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnji iskusni partner za visokoefikasne ultrazvučne sisteme. Proizvodimo i distribuiramo najsavremenije ultrazvučne sonde i reaktore koji se širom svijeta koriste za zahtjevne primjene u zahtjevnim okruženjima. Za sonoelektrohemiju je Hielscher razvio posebne ultrazvučne sonde, koje mogu djelovati kao katoda i/ili anoda, kao i ultrazvučne reaktorske ćelije pogodne za elektrohemijske reakcije. Ultrazvučne elektrode i ćelije dostupne su za galvanske / voltaične, kao i za elektrolitičke sisteme.

Precizno kontrolirane amplitude za optimalne rezultate

Svi Hielscher ultrazvučni procesori precizno se kontroliraju i stoga su pouzdani radni konji u istraživanju i razvoju te u proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na efikasnost i djelotvornost sonohemijski i sonomehanički induciranih reakcija. Svi procesori Hielscher Ultrasonics omogućavaju precizno podešavanje amplitude. Industrijski ultrazvučni procesori kompanije Hielscher mogu isporučiti veoma visoke amplitude i potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne sonoelektrohemijske primjene. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano primjenjivati u radu 24/7.
Precizna podešavanja amplitude i stalni nadzor ultrazvučnih procesnih parametara putem pametnog softvera daju vam mogućnost da precizno utječete na sonoelektrohemijsku reakciju. Tokom svakog ciklusa ultrazvučne obrade svi se ultrazvučni parametri automatski bilježe na ugrađenu SD karticu, tako da se svaki ciklus može evaluirati i kontrolirati. Optimalna ultrazvučna obrada za najefikasnije sonoelektrohemijske reakcije!
Cjelokupna oprema izrađena je za upotrebu 24/7/365 pod punim opterećenjem, a njena robusnost i pouzdanost čine je radnim konjem u vašem elektrohemijskom procesu. Zbog toga je ultrazvučna oprema kompanije Hielscher pouzdan radni alat koji ispunjava zahtjeve vašeg sonoelektrohemijskog procesa.

Najviši kvalitet – projektirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao porodično vlasništvo i porodično vođena firma, Hielscher daje prednost najvišim standardima kvaliteta za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrazvučni uređaji projektirani su, proizvedeni i temeljito testirani u našem sjedištu u Teltowu kraj Berlina u Njemačkoj. Robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher čine je radnim konjem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika visokoefikasnih ultrazvučnih sondi i reaktora kompanije Hielscher.

Kontaktirajte nas odmah i recite nam o zahtjevima vašeg elektrohemijskog procesa! Preporučit ćemo vam najprikladnije ultrazvučne elektrode i postavku reaktora!