Elektro-sonikace – Ultrazvukové elektrody

Elektrosonikace je kombinace účinků elektřiny s účinky sonikace. Hielscher Ultrasonics vyvinul novou a elegantní metodu pro použití jakékoli sonotrody jako elektrody. Tím se síla ultrazvuku dostává přímo na rozhraní mezi ultrazvukovou elektrodou a kapalinou. Tam může podporovat elektrolýzu, zlepšit přenos hmoty a rozbít mezní vrstvy nebo usazeniny. Hielscher dodává výrobní zařízení pro elektrosonikační procesy v dávkových a inline procesech v jakémkoli měřítku. Elektrosonikaci můžete kombinovat s mano-sonikací (tlak) a termosonikací (teplota).

Aplikace ultrazvukových elektrod

Aplikace ultrazvuku na elektrody je nová technologie s výhodami pro mnoho různých procesů v elektrolýze, galvanizaci, elektročištění, výrobě vodíku a elektrokoagulaci, syntéze částic nebo jiných elektrochemických reakcích. Hielscher Ultrasonics má ultrazvukové elektrody snadno dostupné pro výzkum a vývoj v laboratorním měřítku nebo pilotní elektrolýza. Poté, co jste otestovali a optimalizovali svůj elektrolytický proces, můžete použít ultrazvukové zařízení Hielscher Ultrasonics produkční velikosti k rozšíření výsledků procesu na úroveň průmyslové výroby. Níže naleznete návrhy a doporučení pro použití ultrazvukových elektrod.

Sono-elektrolýza (ultrazvuková elektrolýza)

Elektrolýza je výměna atomů a iontů odstraněním nebo přidáním elektronů v důsledku aplikace elektrického proudu. Produkty elektrolýzy mohou mít jiné fyzikální skupenství než elektrolyt. Elektrolýza může produkovat pevné látky, jako jsou sraženiny nebo pevné vrstvy na kterékoli z elektrod. Alternativně může elektrolýza produkovat plyny, jako je vodík, chlór nebo kyslík. Ultrazvukové míchání elektrody může narušit pevné usazeniny z povrchu elektrody. Ultrazvukové odplyňování rychle vytváří větší plynové bubliny z rozpuštěných plynů mikrobublin. To vede k rychlejší separaci plynných produktů od elektrolytu.

Ultrazvuk UIP2000hdT (2000 W, 20kHz) jako katoda a/nebo anoda v elektrolytickém článku

Ultrazvukem zesílený přenos hmoty na povrchu elektrody

Během procesu elektrolýzy se produkty hromadí v blízkosti elektrod nebo na povrchu elektrody. Ultrazvukové míchání je velmi účinným nástrojem pro zvýšení přenosu hmoty v mezních vrstvách. Tento efekt přivádí čerstvý elektrolyt do kontaktu s povrchem elektrody. Kavitační proudění transportuje produkty elektrolýzy, jako jsou plyny nebo pevné látky, pryč z povrchu elektrody. Tím je zabráněno inhibiční tvorbě izolačních vrstev.

Účinky ultrazvuku na dekompoziční potenciál

Ultrazvukové míchání anody, katody nebo obou elektrod může ovlivnit rozkladný potenciál nebo rozkladné napětí. Je známo, že samotná kavitace rozbíjí molekuly, produkuje volné radikály nebo ozon. Kombinace kavitace s elektrolýzou v ultrazvukem zesílené elektrolýze může ovlivnit minimální požadované napětí mezi anodou a katodou elektrolytického článku pro elektrolýzu. Mechanické a sonochemické účinky kavitace mohou také zlepšit energetickou účinnost elektrolýzy.

Ultrazvuk v elektrorafinaci a elektrolytickém získávání

V procesu elektrolytické rafinace mohou být pevné usazeniny kovů, jako je měď, přeměněny na suspenzi pevných částic v elektrolytu. Při elektrolytickém získávání, nazývaném také elektroextrakce, může být elektrodepozice kovů z jejich rud přeměněna na pevnou sraženinu. Běžnými kovy elektrického wonu jsou olovo, měď, zlato, stříbro, zinek, hliník, chrom, kobalt, mangan a kovy vzácných zemin a alkalické kovy. Ultrazvuku je také účinným prostředkem pro loužení rud.

Sono-elektrolytické čištění kapalin

Čistěte kapalinu, např. vodné roztoky, jako je odpadní voda, kal nebo podobně, tak, že roztok provedete elektrickým polem dvou elektrod! Elektrolýza může dezinfikovat nebo čistit vodné roztoky. Přiváděním roztoku NaCI společně s vodou přes elektrody nebo přes elektrody vzniká Cl2 nebo CIO2, který může oxidovat nečistoty a dezinfikovat vodu nebo vodné roztoky. Pokud voda obsahuje dostatek přírodních chloridů, není nutné ji přidávat.
Ultrazvukové vibrace elektrody mohou mezní vrstvu mezi elektrodou a vodou co nejvíce ztenčit. To může zlepšit přenos hmoty o mnoho řádů. Ultrazvukové vibrace a kavitace výrazně snižují tvorbu mikroskopických bublin v důsledku polarizace. Použití ultrazvukových elektrod pro elektrolýzu výrazně zlepšuje proces elektrolytického čištění.

Sono-elektrokoagulace (ultrazvuková elektrokoagulace)

Elektrokoagulace je metoda čištění odpadních vod pro odstranění nečistot, jako je emulgovaný olej, celkové ropné uhlovodíky, žáruvzdorné organické látky, nerozpuštěné látky a těžké kovy. Také z nich mohou být odstraněny radioaktivní ionty pro čištění vody. Přidání ultrazvukové elektrokoagulace, známé také jako sono-elektrokoagulace, má pozitivní vliv na chemickou spotřebu kyslíku nebo účinnost odstraňování zákalu. Elektrokoagulační kombinované čistící procesy prokázaly výrazně vyšší výkonnost při odstraňování znečišťujících látek z průmyslových odpadních vod. Integrace kroku produkujícího volné radikály, jako je ultrazvuková kavitace s elektrokoagulací, ukazuje synergii a zlepšení v celkovém procesu čištění. Účelem použití těchto ultrazvukovo-elektrolytických hybridních systémů je zvýšit celkovou účinnost čištění a eliminovat nevýhody konvenčních procesů úpravy. Bylo prokázáno, že hybridní ultrazvukově-elektrokoagulační reaktory inaktivují Escherichia coli ve vodě.

Ultrazvukový UIP2000hdT (2000 wattů, 20kHz) jako Sono-katoda a / nebo Sono-Anoda v nádrži

Sono-elektrolytické in-situ generování činidel nebo reaktantů

Mnoho chemických procesů, jako jsou heterogenní reakce nebo katalýza, těží z ultrazvukového míchání a ultrazvukové kavitace. Sonochemický vliv může zvýšit rychlost reakce nebo zlepšit výtěžky konverze.
Ultrazvukem míchané elektrody přidávají k chemickým reakcím nový silný nástroj. Nyní můžete kombinovat výhody sonochemie s elektrolýzou. Výroba vodíku, hydroxidových iontů, chlornanu a mnoha dalších iontů nebo neutrálních materiálů přímo v ultrazvukovém kavitačním poli. Produkty elektrolýzy mohou působit jako činidla nebo jako reaktanty chemické reakce.

Kombinace ultrazvuku s pulzním elektrickým polem

Kombinace pulzního elektrického pole (PEF) a ultrazvuku (US) má pozitivní účinky na extrakci fyzikálně-chemických, bioaktivních sloučenin a chemickou strukturu extraktů. Při extrakci mandlí produkovala kombinovaná léčba (PEF-US) nejvyšší hladiny celkových fenolických látek, celkových flavonoidů, kondenzovaných tříslovin, obsahu antokyanů a antioxidační aktivity. To snížilo výkon a chelatační aktivitu kovů.
Ultrazvuk (US) a pulzní elektrické pole (PEF) lze použít ke zvýšení efektivity procesu a rychlosti výroby ve fermentačních procesech zlepšením přenosu hmoty a propustnosti buněk.
Kombinace pulzního elektrického pole a ultrazvukového ošetření má vliv na kinetiku sušení na vzduchu a kvalitu sušené zeleniny, jako je mrkev. Doba schnutí může být zkrácena o 20 až 40 % při zachování rehydratačních vlastností.

Sono-elektrochemie / Ultrazvuková elektrochemie

Přidejte ultrazvukem zesílenou elektrolýzu k výrobě reaktantů nebo ke konzumaci produktů chemických reakcí, aby se posunula konečná rovnováha chemické reakce nebo aby se změnila cesta chemické reakce.

Doporučené nastavení ultrazvukových elektrod

Inovativní design pro ultrazvukové sondy mění standardní ultrazvukovou sonotrodu na ultrazvukově vibrující elektrodu. Díky tomu je ultrazvuk pro elektrody dostupnější, snadněji integrovatelný a snadno škálovatelný na úroveň výroby. Jiné konstrukce míchaly elektrolyt pouze mezi dvěma nemíchanými elektrodami. Vzory stínování a šíření ultrazvukových vln poskytují horší výsledky ve srovnání s přímým mícháním elektrod. Ultrazvukové vibrace můžete přidat k anodám nebo katodám. Napětí a polaritu elektrod můžete samozřejmě kdykoli změnit. Hielscher Ultrazvukové elektrody lze snadno dodatečně namontovat na stávající nastavení.

Uzavřené sono-elektrolytické články a elektrochemické reaktory

K dispozici je tlakotěsné těsnění mezi ultrazvukovou sonotrodou (elektrodou) a reaktorovou nádobou. Proto můžete elektrolytický článek provozovat i při jiném než okolním tlaku. Kombinace ultrazvuku s tlakem se nazývá mano-sonikace. To může být zajímavé, pokud elektrolýza produkuje plyny, při práci při vyšších teplotách nebo při práci s těkavými kapalnými složkami. Těsně uzavřený elektrochemický reaktor může pracovat při tlacích nad nebo pod okolním tlakem. Těsnění mezi ultrazvukovou elektrodou a reaktorem může být elektricky vodivé nebo izolační. Ta umožňuje provozovat stěny reaktoru jako druhou elektrodu. Reaktor samozřejmě může mít vstupní a výstupní porty, které fungují jako reaktor s průtočnou buňkou pro kontinuální procesy. Hielscher Ultrasonics nabízí celou řadu standardizovaných reaktorů a plášťových průtokových buněk. Alternativně si můžete vybrat z řady adaptérů pro montáž Hielscher sonotrod do vašeho elektrochemického reaktoru.

Soustředné uspořádání v trubkovém reaktoru

Pokud je ultrazvukem míchaná elektroda v blízkosti druhé nemíchané elektrody nebo v blízkosti stěny reaktoru, ultrazvukové vlny se šíří kapalinou a ultrazvukové vlny budou působit i na ostatní povrchy. Ultrazvukem míchaná elektroda, která je soustředně orientována v potrubí nebo v reaktoru, může udržovat vnitřní stěny bez znečištění nebo nahromaděných pevných látek.

teplota

Při použití standardních Hielscher sonotrod jako elektrod může být teplota elektrolytu mezi 0 a 80 stupni Celsia. Sonotrody pro jiné teploty elektrolytu v rozsahu od -273 stupňů Celsia do 500 stupňů Celsia jsou k dispozici na vyžádání. Kombinace ultrazvuku s teplotou se nazývá termosonikace.

viskozita

Pokud viskozita elektrolytu inhibuje přenos hmoty, může být ultrazvukové míchání během elektrolýzy prospěšné, protože zlepšuje přenos materiálu na elektrody a z nich.

Sono-elektrolýza s pulzujícím proudem

Pulzující proud na ultrazvukem míchaných elektrodách má za následek produkty odlišné od stejnosměrného proudu (DC). Například pulzující proud může zvýšit poměr ozonu k kyslíku produkovanému na anodě při elektrolýze vodného kyselého roztoku, např. zředěné kyseliny sírové. Elektrolýza etanolu pulzním proudem produkuje aldehyd namísto primárně kyseliny.

Zařízení pro elektrosonikaci

Hielscher Ultrasonics vyvinul speciální sonoelektrochemický upgrade pro průmyslové převodníky. Vylepšený převodník pracuje s téměř všemi typy Hielscher sonotrod.

Ultrazvukové elektrody (sonotrody)

Sonotrody jsou elektricky izolovány od ultrazvukového generátoru. Proto můžete ultrazvukovou sonotrodu připojit k elektrickému napětí, takže sonotroda může fungovat jako elektroda. Standardní elektrická izolační mezera mezi sonotrodami a zemnícím kontaktem je 2,5 mm. Proto můžete na sonotrodu aplikovat až 2500 voltů. Standardní sonotrody jsou pevné a vyrobené z titanu. Proto neexistuje téměř žádné omezení proudu elektrody. Titan vykazuje dobrou odolnost proti korozi vůči mnoha alkalickým nebo kyselým elektrolytům. Jsou možné alternativní sonotrodové materiály, jako je hliník (Al), ocel (Fe), nerezová ocel, nikl-chrom-molybden nebo niob. Hielscher nabízí nákladově efektivní sonotrody s obětní anodou, např. vyrobené z hliníku nebo oceli.

Ultrazvukový generátor, napájecí zdroj

Ultrazvukový generátor nepotřebuje žádné úpravy a používá standardní elektrickou zásuvku se zemí. Houkačka měniče a všechny vnější plochy měniče a generátoru jsou samozřejmě připojeny k zemi elektrické zásuvky. Sonotroda a výztuhový prvek jsou jediné části připojené k napětí elektrody. To usnadňuje návrh nastavení. Sonotrodu můžete připojit na stejnosměrný proud (DC), pulzující stejnosměrný proud nebo střídavý proud (AC). Ultrazvukové elektrody mohou být provozovány jako anody nebo katody.

Výrobní zařízení pro elektrosonikační procesy

Můžete použít jakékoli ultrazvukové zařízení Hielscher, jako je UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT nebo UIP4000hdT pro připojení až 4000 wattů ultrazvukového výkonu k jakékoli standardní sonotrodě nebo kasratrodě. Ultrazvuková intenzita povrchu sonotrody může být mezi 1 wattem až 100 watty na centimetr čtvereční. K dispozici jsou různé geometrie sonotrod s amplitudami od 1 mikronu do 150 mikronů (vrchol-vrchol). Ultrazvuková frekvence 20 kHz je velmi účinná při generování kavitace a akustického proudění v elektrolytu. Hielscher ultrazvuková zařízení mohou pracovat 24 hodin denně, sedm dní v týdnu. Můžete pracovat nepřetržitě na plný výkon nebo pulzovat, např. pro pravidelné čištění elektrod. Hielscher Ultrasonics může dodávat ultrazvukové elektrody s až 16 kilowattů ultrazvukového výkonu (mechanické míchání) na jednu elektrodu. Elektrická energie, kterou můžete připojit k elektrodám, není téměř omezena.

Ještě jedna věc: Sono-elektrostatické stříkání

Hielscher Ultrasonics vyrábí zařízení pro stříkání, rozprašování, rozprašování nebo aerosolizaci kapalin. Ultrazvuková rozprašovací sonotroda může dát kapalné mlze nebo aerosolům kladný náboj. To kombinuje ultrazvukové stříkání s technologií elektrostatického stříkání, např. pro procesy lakování.