Sono-elektrohemija i njene prednosti

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

Zašto primjena ultrazvuka u elektrohemiji?

Kombinacija niskofrekventnih ultrazvučnih talasa visokog intenziteta sa elektrohemijskim sistemima donosi višestruke prednosti, koje poboljšavaju efikasnost i stopu konverzije elektrohemijskih reakcija.

Princip rada ultrazvuka

Za ultrazvučnu obradu visokih performansi, ultrazvuk visokog intenziteta, niske frekvencije generiše ultrazvučni generator i prenosi se preko ultrazvučne sonde (sonotrode) u tečnost. Ultrazvuk velike snage smatra se ultrazvukom u opsegu od 16-30kHz. Ultrazvučna sonda se širi i skuplja npr. na 20 kHz, prenoseći na taj način 20.000 vibracija u sekundi u medijum. Kada ultrazvučni talasi putuju kroz tečnost, naizmenični ciklusi visokog pritiska (kompresija) / niskog pritiska (razređivanja ili ekspanzije) stvaraju sitne vakuumske mehuriće ili šupljine, koje rastu tokom nekoliko ciklusa pritiska. Tokom faze kompresije tečnosti i mehurića, pritisak je pozitivan, dok faza razređivanja stvara vakuum (negativni pritisak). Tokom ciklusa kompresije-ekspanzije, šupljine u tekućini rastu sve dok ne dostignu veličinu pri kojoj ne mogu apsorbirati više energije. U ovom trenutku nasilno implodiraju. Implozija tih šupljina rezultira različitim visokoenergetskim efektima, koji su poznati kao fenomen akustične/ultrazvučne kavitacije. Akustičnu kavitaciju karakterišu višestruki visokoenergetski efekti, koji utiču na tečnosti, čvrste/tečne sisteme kao i na sisteme gas/tečnost. Energetski gusta zona ili kavitacijska zona poznata je kao zona vrućih tačaka, koja je energetski najgušća u neposrednoj blizini ultrazvučne sonde i opada sa povećanjem udaljenosti od sonotrode. Glavne karakteristike ultrazvučne kavitacije uključuju lokalne vrlo visoke temperature i pritiske i odgovarajuće razlike, turbulencije i strujanje tekućine. Prilikom implozije ultrazvučnih šupljina u ultrazvučnim žarištima mogu se mjeriti temperature do 5000 Kelvina, pritisci do 200 atmosfera i mlazovi tekućine do 1000 km/h. Ovi izvanredni energetski intenzivni uslovi doprinose sonomehaničkim i sonohemijskim efektima koji intenziviraju elektrohemijske sisteme na različite načine.

Efekti ultrazvuka na elektrohemijske sisteme

Primjena ultrazvučne obrade u elektrohemijskim reakcijama poznata je po raznim efektima na elektrode, odnosno anodu i katodu, kao i na elektrolitičku otopinu. Ultrazvučna kavitacija i akustično strujanje stvaraju značajne mikropokrete, udarajući mlazove tečnosti i mešanje u reakcionu tečnost. Ovo rezultira poboljšanom hidrodinamikom i kretanjem smjese tekućina/čvrsta. Ultrazvučna kavitacija smanjuje efektivnu debljinu difuzijskog sloja na elektrodi. Smanjen difuzijski sloj znači da ultrazvučna obrada minimizira razliku u koncentraciji, što znači da se konvergencija koncentracije u blizini elektrode i vrijednosti koncentracije u masnoj otopini promovira ultrazvučno. Utjecaj ultrazvučne agitacije na gradijente koncentracije u toku reakcije osigurava trajno dovod svježeg rastvora u elektrodu i izvlačenje izreagovanog materijala. To znači da je sonikacija 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 elektroneaktivna. Još jedan važan efekat akustične vibracije i strujanja je efekat čišćenja na površini elektroda. Pasivirajući slojevi i onečišćenje na elektrodama ograničavaju efikasnost i brzinu reakcije elektrohemijskih reakcija. Ultrasonication održava elektrode trajno čistima i potpuno aktivnim za reakciju. Ultrazvuk je dobro poznat po svojim efektima otplinjavanja, koji su također korisni u elektrohemijskim reakcijama. Uklanjanjem neželjenih gasova iz tečnosti, reakcija može teći efikasnije.

Primjena sonoelektrohemije

Sonoelektrohemija se može primijeniti na različite procese iu različitim industrijama. Vrlo uobičajene primjene sonoelektrohemije uključuju sljedeće:

• Sinteza nanočestica (elektrosinteza)
• Sinteza vodonika
• elektrokoagulacija
• Tretman otpadnih voda
• Razbijajuće emulzije
• Galvanizacija / Elektrodepozicija

Sono-elektrohemijska sinteza nanočestica

Ultrazvuk je uspješno primijenjen za sintezu različitih nanočestica u elektrohemijskom sistemu. Magnetit, kadmijum-selen (CdSe) nanocevi, nanočestice platine (NP), zlato NP, metalni magnezijum, bizmuten, nano-srebro, ultra fini bakar, nanočestice legure volfram-kobalta (W–Co), samarija/redukovani grafokompooksid , nanočestice bakra pokrivene poli(akrilnom kiselinom) sub-1nm i mnogi drugi prahovi nano veličine uspješno su proizvedeni pomoću sonoelektrohemije.
Prednosti sonoelektrohemijske sinteze nanočestica uključuju

• izbjegavanje redukcionih agenasa i surfaktanata
• upotreba vode kao rastvarača
• podešavanje veličine nanočestica različitim parametrima (ultrazvučna snaga, gustina struje, potencijal taloženja i vremena ultrazvučnog i elektrohemijskog impulsa)

Ashassi-Sorkhabi i Bagheri (2014) sintetizirali su polipirolne filmove sonoelektrokemijski i uporedili rezultate s elektrohemijski sintetiziranim polipirolnim filmovima. Rezultati pokazuju da je galvanostatska sonoelektrodepozicija proizvela jako prianjajući i glatki polipirol (PPy) film na čeliku, gustoće struje od 4 mA cm–2 u 0,1 M otopini oksalne kiseline/0,1 M pirola. Koristeći sonoelektrohemijsku polimerizaciju, dobili su visokootporne i čvrste PPy filmove sa glatkom površinom. Pokazalo se da PPy premazi pripremljeni sonoelektrohemijskim putem pružaju značajnu zaštitu od korozije St-12 čeliku. Sintetizirani premaz je bio ujednačen i pokazao je visoku otpornost na koroziju. Svi ovi rezultati mogu se pripisati činjenici da je ultrazvuk pojačao prijenos mase reaktanata i izazvao visoke brzine kemijskih reakcija putem akustične kavitacije i rezultirajućih visokih temperatura i pritisaka. Valjanost podataka o impedanciji za sučelje St-12 čelik/dva PPy prevlaka/korozivni medij provjerena je pomoću KK transformacija i uočene su niske prosječne greške.

Hass i Gedanken (2008) izvijestili su o uspješnoj sono-elektrohemijskoj sintezi metalnih nanočestica magnezijuma. Efikasnost u sonoelektrohemijskom procesu Gringardovog reagensa u tetrahidrofuranu (THF) ili u rastvoru dibutildiglima iznosila je 41,35%, odnosno 33,08%. Dodavanje AlCl3 u Gringardovu otopinu dramatično je povećalo efikasnost, podižući je na 82,70% i 51,69% u THF-u ili dibutildiglimu, respektivno.

Sono-elektrohemijska proizvodnja vodonika

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

Ultrazvučno potpomognuta elektrokoagulacija

Primjena ultrazvuka niske frekvencije na elektrokoagulacijske sisteme poznata je kao sono-elektrokoagulacija. Studije pokazuju da ultrazvuk utječe na elektrokoagulaciju pozitivno što rezultira, na primjer, većom efikasnošću uklanjanja željeznih hidroksida iz otpadnih voda. Pozitivan uticaj ultrazvuka na elektrokoagulaciju objašnjava se smanjenjem pasivacije elektroda. Niskofrekventni ultrazvuk visokog intenziteta razara nataloženi čvrsti sloj i efikasno ih uklanja, čime elektrode održavaju kontinuirano potpuno aktivnim. Nadalje, ultrazvuk aktivira oba tipa jona, tj. katjone i anjone, prisutne u zoni reakcije elektroda. Ultrazvučna agitacija rezultira visokim mikropokretima otopine koja dovodi i prenosi sirovinu i proizvod do i od elektroda.
Primjeri uspješnih procesa sono-elektrokoagulacije su redukcija Cr(VI) u Cr(III) u farmaceutskoj otpadnoj vodi, uklanjanje ukupnog fosfora iz efluenta fine hemijske industrije sa efikasnošću uklanjanja fosfora 99,5% u roku od 10 min., uklanjanje boje i COD iz otpadnih voda industrije celuloze i papira itd. Prijavljena efikasnost uklanjanja boje, COD, Cr(VI), Cu(II) i P bila je 100%, 95%, 100%, 97,3% i 99,84% , odnosno. (usp. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018.)

Sono-elektrohemijska degradacija zagađivača

Ultrazvučno promovirane elektrohemijske reakcije oksidacije i/ili redukcije primjenjuju se kao moćna metoda za razgradnju hemijskog zagađivača. Sonomehanički i sonohemijski mehanizmi promovišu elektrohemijsku degradaciju zagađivača. Ultrazvučno generirana kavitacija rezultira intenzivnim miješanjem, mikromiješanjem, prijenosom mase i uklanjanjem pasivizirajućih slojeva sa elektroda. Ovi kavitacijski efekti uglavnom rezultiraju povećanjem prijenosa mase čvrstog i tekućeg između elektroda i otopine. Sonohemijski efekti direktno utiču na molekule. Homolitičko cijepanje molekula stvara visoko reaktivne oksidante. U vodenim medijima iu prisustvu kiseonika nastaju radikali kao što su HO•, HO2• i O•. • Poznato je da su OH radikali važni za efikasnu razgradnju organskih materijala. Sve u svemu, sono-elektrohemijska degradacija pokazuje visoku efikasnost i pogodna je za tretman velikih količina tokova otpadnih voda i drugih zagađenih tečnosti.
Na primjer, Lllanos et al. (2016) su otkrili da je značajan sinergistički učinak postignut za dezinfekciju vode kada je elektrokemijski sustav intenziviran sonikacijom (sono-elektrohemijska dezinfekcija). Utvrđeno je da je ovo povećanje stope dezinfekcije povezano sa supresijom agolomerata ćelija E. coli, kao i sa povećanom proizvodnjom dezinfekcionih vrsta. Esclapez et al. (2010) su pokazali da je posebno dizajniran sonoelektrohemijski reaktor (iako nije optimizovan) korišćen tokom povećanja razgradnje trihloroctenom kiselinom (TCAA), prisustvo ultrazvučnog polja generisanog sa UIP1000hd dalo je bolje rezultate (frakciona konverzija 97%, efikasnost degradacije 26%, selektivnost 0,92 i strujna efikasnost 8%) pri nižim ultrazvučnim intenzitetima i volumetrijskom protoku. S obzirom na činjenicu da pre-pilot sonoelektrohemijski reaktor još nije optimizovan, vrlo je vjerovatno da se ovi rezultati mogu još dodatno poboljšati.

Ultrazvučna voltametrija i elektrodepozicija

Elektrotaloženje je izvršeno galvanostatički pri gustini struje od 15 mA/cm2. Otopine su podvrgnute ultrazvučnoj obradi prije elektrodepozicije 5-60 minuta. A Hielscher Ultrasonikator tipa sonde UP200S je korišten u vremenu ciklusa od 0,5. Ultrazvuk je postignut direktnim potapanjem 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 uvjeta za elektrodepoziciju. Uočeno je da kada se otopina podvrgne ultrazvučnoj obradi prije elektrodepozicije, taloženje počinje pri manje negativnim vrijednostima potencijala. To znači da je pri istoj struji u otopini potreban manji potencijal, jer se vrste u otopini ponašaju aktivnije nego u neultrazvukovanim. (up. Yurdal & Karahan 2017)

Elektrohemijske sonde visokih performansi i SonoElectroReaktori

Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnji iskusan partner za ultrazvučne sisteme visokih performansi. Proizvodimo i distribuiramo najsavremenije ultrazvučne sonde i reaktore, koji se koriste širom svijeta za teške primjene u zahtjevnim okruženjima. Za sonoelektrohemiju, Hielscher je 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 su dostupne za galvanske/voltaične kao i za elektrolitičke sisteme.

Precizno kontrolisane amplitude za optimalne rezultate

Svi Hielscher ultrazvučni procesori su precizno upravljivi i time pouzdani radni konji u R&D i proizvodnja. Amplituda je jedan od ključnih parametara procesa koji utiču na efikasnost i efektivnost sonohemijski i sonomehanički izazvanih reakcija. Svi Hielscher Ultrasonics’ procesori omogućavaju precizno podešavanje amplitude. Hielscherovi industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i isporučiti potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne sono-elektrohemijske aplikacije. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7.
Precizna podešavanja amplitude i trajno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera daju vam mogućnost da precizno utičete na sonoelektrohemijsku reakciju. Tokom svakog ispitivanja ultrazvukom, svi ultrazvučni parametri se automatski snimaju na ugrađenu SD karticu, tako da se svaka serija može procijeniti i kontrolirati. Optimalna sonikacija za najefikasnije sonoelektrohemijske reakcije!
Sva oprema je napravljena za 24/7/365 upotrebu pod punim opterećenjem, a njena robusnost i pouzdanost čine je radnim konjem u vašem elektrohemijskom procesu. Ovo čini Hielscherovu ultrazvučnu opremu pouzdanim radnim alatom koji ispunjava vaše zahtjeve sonoelektrohemijskog procesa.

Najviša kvaliteta – Dizajniran i proizveden u Njemačkoj

Kao porodično preduzeće koje vodi porodica, Hielscher daje prioritet najvišim standardima kvaliteta za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrasonikatori su dizajnirani, proizvedeni i temeljno testirani u našem sjedištu u Teltowu blizu Berlina, Njemačka. Robusnost i pouzdanost Hielscherove ultrazvučne opreme čine je radnim konjem u vašoj proizvodnji. 24/7 rad pod punim opterećenjem iu zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika Hielscherovih ultrazvučnih sondi i reaktora visokih performansi.

Kontaktirajte nas sada i recite nam o vašim zahtjevima za elektrohemijski proces! Preporučit ćemo Vam najprikladnije ultrazvučne elektrode i postavljanje reaktora!