Sono-Elektrohemija i njene prednosti

Ovdje ćete pronaći sve što trebate znati o ultrazvučnoj elektrohemici (sonoelectrochemistry): radni princip, aplikacije, prednosti i sono-elektrohemijska oprema – sve relevantne informacije o sonoelectrochemistry na jednoj stranici.

Zašto primjena ultrazvučnika na elektrohemiju?

Kombinacija niskofrekventnih, ultrazvučni talasi visokog inteziteta sa elektrohemijskim sistemima dolazi sa mnogougaonim prednostima, što poboljšava efikasnost i brzinu pretvaranja elektrohemijskih reakcija.

The Working Principle of Ultrasonics

Za ultrazvučnu obradu visokih performansi, visokog inteziteta, ultrazvuk niske frekvencije generiše ultrazvučni generator i prenosi se putem ultrazvučne sonde (sonotrode) u tečnost. Ultrazvuk velike snage se smatra ultrazvukom u rasponu od 16-30kHz. Ultrazvučna sonda se širi i ugovori npr. na 20kHz, i time prenosi odnosno 20.000 vibracija u sekundi u medij. Kada ultrazvučni talasi putuju kroz tečnost, naizmjenični visokotlačni (kompresija) / niskotlasni (rijetkost ili širenje) ciklusi stvaraju minutne vakuumske mjehuriće ili šupljine, koji rastu preko nekoliko ciklusa pritiska. Tokom faze kompresije tekućine i mjehurića pritisak je pozitivan, dok faza rijetkosti proizvodi vakuum (negativan pritisak). Tokom ciklusa kompresije-širenja, šupljine u tekućini rastu dok ne dostigne veličinu, na kojoj ne mogu apsorbirati više energije. U ovom trenutku nasilno impliraju. Implozija tih šupljina rezultira raznim visoko energičnim efektima, koji su poznati kao fenomen akustičke / ultrazvučne kavitacije. Akustičnu kavitaciju karakteriziraju manifold visoko energični efekti, koji udare na tekućine, čvrste/tekuće sisteme kao i gasne/tekuće sisteme. Energetski gusta zona ili kavitaciona zona poznata je pod nazivom zona vruće tačke, koja je najviše energetski gusta u bliskoj blizini ultrazvučne sonde i opada sa povećanjem udaljenosti od sonotrode. Glavne karakteristike ultrazvučne kavitacije uključuju lokalno javljanje vrlo visokih temperatura i pritisaka i odgovarajućih diferencijala, turbulencija i tekućih strujanja. Tokom implozije ultrazvučnih šupljina u ultrazvučnim vrućim točkama mogu se izmjeriti temperature do 5000 Kelvina, pritisci do 200 atmosfera i tečni mlaznici sa do 1000km/h. Ovi izvanredni energetski intenzivni uslovi doprinose sonomehaničkom i sonohemijskim efektima koji intenziviraju elektrohemijski sistem na različite načine.

The Effects of Ultrasonics on Electrochemical Systems

Primjena ultrasonication na elektrohemijskim reakcijama poznata je po raznim učincima na elektrode, dakle anodu i katodu, kao i elektrolitičkom rastvoru. Ultrazvučna kavitacija i akustično strujanje stvaraju značajne mikro-pokrete, impirajući tekuće mlaznice i agitaciju u fluid reakcije. To rezultira poboljšanom hidrodinamičkom i kretanjem tekuće/čvrste smjese. Ultrazvučna kavitacija smanjuje efektivnu debljinu difuzijskog sloja kod elektrode. Smanjeni difuzijski sloj znači da sonikacija minimizira razliku koncentracije, što znači da se konvergencija koncentracije u blizini elektrode i vrijednost koncentracije u rastvoru za razsuti dio promoviraju ultrazvučno. Uticaj ultrazvučne agitacije na gradijente koncentracije tokom reakcije osigurava trajno hranjenje svježeg rastvora elektrode i karting od reagujućeg materijala. To znači da je sonikacija poboljšala ukupnu kinetiku ubrzavajućom brzinom reakcije i povećanjem prinosa reakcije.
Uvođenjem ultrazvučne energije u sistem kao i sonohemijskim formiranjem slobodnih radikala, može se pokrenuti elektrohemijska reakcija, koja bi inače bila elektroinaktivna. 
Još jedan važan efekat akustičanih vibracija i strujanja je efekat čišćenja na elektrodnim površinama. Pasivni sloj i fauling na elektrodama ograničavaju efikasnost i brzinu reakcija elektrohemijskih reakcija. Ultrasonication održava elektrode trajno čistim i potpuno aktivnim za reakciju. Ultrasonication je dobro poznat po svojim degasing efektima, koji su korisno u elektrohemijskim reakcijama, previše. Uklanjanje neželjenih gasova iz tečnosti, reakcija može da teče više ukočenost.

Aplikacije Sonoelectrochemistry

Sonoelectrohemija se može primijeniti na različite procese i u različitim industrijama. Vrlo česte primjene sonoelectrohemije uključuju sljedeće:

• Sinteza nanočesnika (elektrosinteza)
• Sinteza vodika
• Elektrokoagulacija
• Obrada otpadnih voda
• Razbijanje emulzija
• Elektroplating / Elektrodepozicije

Sono-Electrochemical Synthesis of Nanoparticles

Ultrasonication je bila uspješna primjenjena za sintezu raznih nanočestica u elektrohemijski sistem. Magnetit, kadmij-selen (CdSe) nanocijeve, platinaste nanočestice (NPs), zlatne NPs, metalni magnezij, bismuten, Nano-srebro, ultra-fini baker, volfram-kobalt (W–Co) slinina nanočestice, samarija/reducirani nanokompozit grafena oksida, sub-1nm poli(akrilna kiselina)-kapa nanočestice bakra i mnogi drugi prahovi nano veličine susedno proizvedeni pomoću sonoelektrohemije.
Prednosti sinteze sonoelectrohemijskih nanočesnika uključuju

• izbjegavanje smanjenja agenata i surfaktanta
• upotreba vode kao otavara
• podešavanje veličine nanočesnika različitim parametrima (ultrazvučna snaga, struja, potencijal taloživanja i ultrazvučno vs elektrohemijski puls vremena)

Ashasssi-Sorkhabi i Bagheri (2014) sintetizirali su polipironske filmove sonoelectrohemijski i usporedili rezultate sa elektroheijski sintetiziranim polipirolinim filmovima. Rezultati pokazuju da je galvanostatski sonoelectrodeposition proizveo snažno pristojan i glatki polipiralo (PPy) film na čeliku, sa trenutnom guštešću od 4 mA cm–2 u 0,1 M oksalnoj kiselini/0,1 M pirole otopine. Koristeći sonoelectrohemijsku polimerizaciju, dobili su visoke otpornosti i čvrste PPy filmove sa glatkom površinom. Pokazalo se da PPy premazi pripremljeni sonoelectrohemijom pružaju značajnu zaštitu od korozije st-12 čelika. Sintetizirani premazi su bili uobiиajeni i ispoljavali su visok otpor na koroziju. Svi ovi rezultati mogu se pripisati činjenici da je ultrazvuk pojačao masovni prijenos reaktanata i izazvao visoke stope hemijskih reakcija putem akustike kavitacije i rezultirajućih visokih temperatura i pritisaka. Validnost impedancija podataka za St-12 čelik/dva PPy premazi /korozivni medijski interfejs je provjeren pomoću KK transformacija, a niske prosječne greške su uočene.

Hass i Gedanken (2008) su prijavili uspješnu sono-elektrohemijsku sintezu metalnih magnezijskih nanočestica. Efikasnosti u sonoelectrohemijski proces Gringard reagenta u tetrahidrofuranu (THF) ili u otopini dibutildiglime su bile 41,35% odnosno 33,08%. Dodavanje AlCl3 u Gringard rješenje je dramatično povećalo efikasnost, podižući ga na 82,70% odnosno 51,69% u THF ili dibutildiglimi.

Sono-Electrochemical Hydrogen Production

Ultrazvučno promovisana elektroliza značajno povećava prinos vodika iz vode ili alkalnih rastvora. Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučno ubrzanoj sintezi elektrolitičke vodika!

Ultrazvučno asistirana elektrokoagulacija

Primjena ultrazvuka niske frekvencije na elektrokoagulacione sisteme poznata je kao sono-elektrokoagulacija. Studije pokazuju da sonikacija utiče na elektrokoagulaciju koja pozitivno rezultira npr., u većoj efikasnosti uklanjanja željeza hidroksida iz otpadnih voda. Pozitivan utjecaj ultrazvučnika na elektrokoagulaciju objašnjava se smanjenjem pasivnosti elektroda. Niska frekvencija, ultrazvuk visokog inteziteta destrukcije deponira čvrsti sloj i uklanja ih efikasno, te tako održava elektrode kontinuirano u potpunosti aktivnim. Nadalje, ultrazvuka aktivira oba iona tipa, dakle kacije i anione, prisutne u zoni reakcije elektroda. Ultrazvučna agitacija rezultira visokim mikro-kretanjem otopine hranjenjem i odnošenjem sirovine i proizvoda do i od elektroda.
Primjeri za uspješne procese sono-elektrokoagulacije su redukcija Cr(VI) na Cr(III) u farmaceutskim otpadnim vodama, Uklanjanje ukupnog fosfora iz odtoka fine hemijske industrije sa efikasnosti uklanjanja fosfora bilo je 99,5% u roku od 10 min., uklanjanje boje i COD-a iz odtoka industrije pulpe i papira itd. Prijavljene efikasnosti uklanjanja za boju, COD, Cr(VI), Cu(II) i P bile su 100%, 95%, 100%, 97,3%, odnosno 99,84%. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-Elektrohemijski degradacija zagađivača

Ultrazvučno promovisana elektrohemijska oksidacija i/ili redukcione reakcije se primenjuju kao moćna metoda za degradaciju hemijskog zagađivača. Sonomehanički i sonohemijski mehanizmi promovišu elektrohemijsku degradaciju zagađivača. Ultrazvučno generirana kavitacija rezultira intenzivnom uznemirenošću, mikro-miješanjem, prijenosom mase i uklanjanjem pasivnih sloja iz elektroda. Ovi kavitacioni efekti rezultiraju uglavnom poboljšanjem prijenosa čvrste tečnosti mase između elektroda i otopine. Sonohemijski efekti direktno uticu na molekule. Homolitski dekolte molekula stvara visoko reaktivne oksidance. U vodinim medijima i u prisustvu kisika proizvode se radikali kao što su HO•, HO2• i O• . •Poznato je da su oh radikali važni za efikasno raspadanje organskih materijala. Ukupno gledano, sono-elektrohemijski degradacija pokazuje visoku efikasnost i pogodan je za obradu velikih volumena tokova otpadnih voda i drugih zagađenih tekućina.
Na primjer, Lllanos et al. (2016) je otkrio da je značajan sinergistički učinak dobiven za dezinfekciju vode kada je elektrohemijski sistem intenziviran sonication (sono-elektrokemična dezinfekcija). Ovo povećanje stope dezinfekcije je bilo povezano sa supresivom E. coli cell aggolomerates kao i pojačanom proizvodnjom dezinfekcionih vrsta. 
Esclapez et al. (2010) je pokazao da je posebno dizajniran sonoelectrohemijski reaktor (međutim nije optimiziran) korišten tokom skaliranja degradacije trikloroacetske kiseline (TCAA) Prisustvo ultrazvučnog polja generiranog sa UIP1000hd dalo je bolje rezultate (frakciona konverzija 97%, efikasnost degradacije 26%, selektivnost 0,92 i trenutna efikasnost 8%) pri nižim ultrazvučnim intezitetama i volumetrijskom protoku. S obzirom na činjenicu, da pred-pilot sonoelectrohemijski reaktor još nije optimiziran, vrlo je sigurno da se ovi rezultati mogu još dodatno poboljšati.

Ultrazvučna voltametrija i elektrodapozicija

Elektrodepozicije su izvedene galvanostatski pri trenutnoj denziteti od 15 mA/cm2. Rješenja su bila izložena ultrasonikaciji prije elektrodepozicije 5–60 minuta. A Hielscher UP200S ultrasonikator tipa sonde korištena je u ciklusu od 0,5. Ultrasonikacija je postignuta direktnim umočanjem ultrazvučne sonde u otopinu. Za procjenu ultrazvučnog uticaja na otopinu prije elektrodepozicije korištena je ciklična voltametrija (CV) kako bi se otkrilo ponašanje rješenja i omogućilo predviđanje idealnih uvjeta za elektrodepozicije. Primjeti se da kada se rješenje podvrgne ultrasonicikaciji prije elektrodepozicije, taloženje počinje na manje negativnim potencijalnim vrijednostima. To znači da je pri istoj struji u otopini potreban manji potencijal, jer se vrste u otopini ponašaju aktivnije nego kod ne-ultrazvučnih. (cf. Yurdal & Karahan 2017)

Elektrohemičke sonde visokih performansi i SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics je vaš dugo iskusni partner za ultrazvučne sisteme visokih performansi. Proizvodimo i distribuiramo vrhunske ultrazvučne sonde i reaktore, koji se koriste širom svijeta za teške primjene u zahtjevnim okruženjima. Za sonoelectrohemiju, Hielscher je razvio posebne ultrazvučne sonde, koje mogu djelovati kao katoda i/ili anoda, kao i ultrazvučne reaktorske ćelije pogodan za elektrohemske reakcije. Ultrazvučne elektrode i ćelije su dostupne za galvanske / voltainske kao i elektrolitičke sisteme.

Precizno kontrolisane amplitude za optimum rezultate

Svi Hielscherovi ultrazvučni procesori su precizno kontrolisani i time pouzdani konji na poslu u R&D i produkcija. Amplituda je jedan od presudnih parametara procesa koji utiču na efikasnost i učinkovitost sonohemijski i sonomehanički izazvanih reakcija. All Hielscher Ultrasonics’ procesori omogućavaju precizno postavljanje amplitude. Hielscherovi industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i isporučiti potreban ultrazvučni jačinu za zahtjevne sono-elektrohamske aplikacije. Amplitute do 200μm mogu se lako kontinuirano pokrenuti u 24/7 operaciji.
Precizne postavke amplitude i trajno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera daju vam mogućnost da precizno utičete na sonoelectrohemijsku reakciju. Tokom svakog sonication runa, svi ultrazvučni parametri se automatski snimaju na ugrađenoj SD-kartici, tako da se svako trčanje može procijeniti i kontrolirati. Optimalno sonication za najučinkovitije sonoelectrohemične reakcije!
Sva oprema je izgrađena za 24/7/365 upotrebu pod punim teretom i njegova robusnost i pouzdanost čine ga građenim konjem u vašem elektrohemijskom procesu. To čini Hielscherovu ultrazvučnu opremu pouzdanim radom alatom koji ispunjava vaše sonoelectrohemijski procesne zahtjeve.

Najkvalitetnije – Dizajniran i proizveden u Njemačkoj

Kao porodični i porodični biznis, Hielscher ima najviše standarde kvaliteta za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrasonicatori su dizajnirani, proizvedeni i temeljito testirani u našem zaglavlju u Teltowu blizu Berlina, Njemačka. Robusnost i pouzdanost Hielscherove ultrazvučne opreme čine ga konjem na poslu u vašoj proizvodnji. 24/7 operacija pod punim teretom i u zahtjevnim okruženjima je prirodna karakteristika Hielscherove ultrazvučne sonde i reaktora visokih performansi.

Kontaktirajte nas odmah i recite nam o vašim zahtjevima elektrohemijskih procesa! Preporučićemo vam najpoesnije ultrazvučne elektrode i podešavanje reaktora!