Elektrosonikace – ultrazvukové elektrody

Elektrosonikace je kombinací účinků elektřiny s účinky sonikace. Společnost Hielscher Ultrasonics vyvinula novou a elegantní metodu, jak použít jakoukoli sonotrodu jako elektrodu. Tím se síla ultrazvuku dostává přímo na rozhraní mezi ultrazvukovou elektrodou a kapalinou. Zde může podporovat elektrolýzu, zlepšovat přenos hmoty a narušovat mezní vrstvy nebo usazeniny. Hielscher dodává zařízení v provozní kvalitě pro procesy elektrosonikace v dávkovém i průtokovém (inline) režimu v jakémkoli měřítku. Elektrosonikaci můžete kombinovat s manosonikací (tlak) a termosonikací (teplota).

Aplikace ultrazvukových elektrod

Aplikace ultrazvuku na elektrody je nová technologie s přínosy pro mnoho různých procesů v elektrolýze, galvanizaci, elektročištění, výrobě vodíku a elektrokoagulaci, syntéze částic či jiných elektrochemických reakcích. Hielscher Ultrasonics má ultrazvukové elektrody ihned k dispozici pro výzkum a vývoj při elektrolýze v laboratorním nebo poloprovozním měřítku. Poté, co svůj elektrolytický proces otestujete a optimalizujete, můžete pomocí ultrazvukových zařízení Hielscher Ultrasonics v provozní velikosti převést výsledky svého procesu na úroveň průmyslové výroby. Níže naleznete návrhy a doporučení pro použití ultrazvukových elektrod.

Sonoelektrolýza (ultrazvuková elektrolýza)

Elektrolýza je výměna atomů a iontů odebíráním nebo přidáváním elektronů v důsledku působení elektrického proudu. Produkty elektrolýzy mohou mít jiné skupenství než elektrolyt. Elektrolýzou mohou vznikat pevné látky, například sraženiny nebo pevné vrstvy na kterékoli z elektrod. Elektrolýzou mohou alternativně vznikat plyny, například vodík, chlor nebo kyslík. Ultrazvukové rozkmitání elektrody může odstraňovat pevné usazeniny z povrchu elektrody. Ultrazvukové odplyňování rychle vytváří větší plynové bubliny z rozpuštěných plynů mikrobublinek. To vede k rychlejšímu oddělení plynných produktů od elektrolytu.

Ultrazvukový přístroj UIP2000hdT (2000 wattů, 20kHz) jako katoda a/nebo anoda v elektrolytickém článku

Ultrazvukem zesílený přenos hmoty na povrchu elektrody

Během elektrolýzy se produkty hromadí v blízkosti elektrod nebo na povrchu elektrody. Ultrazvukové míchání je velmi účinným nástrojem ke zvýšení přenosu hmoty v mezních vrstvách. Tento efekt přivádí čerstvý elektrolyt do kontaktu s povrchem elektrody. Kavitační proudění odvádí produkty elektrolýzy, jako jsou plyny nebo pevné látky, od povrchu elektrody. Tím se zabraňuje inhibičnímu vytváření izolačních vrstev.

Vliv ultrazvuku na rozkladný potenciál

Ultrazvukové rozkmitání anody, katody nebo obou elektrod může ovlivnit rozkladný potenciál neboli rozkladné napětí. O samotné kavitaci je známo, že štěpí molekuly a vytváří volné radikály nebo ozon. Kombinace kavitace s elektrolýzou v ultrazvukem zesílené elektrolýze může ovlivnit minimální napětí mezi anodou a katodou elektrolytického článku potřebné k tomu, aby elektrolýza proběhla. Mechanické a sonochemické účinky kavitace mohou rovněž zlepšit energetickou účinnost elektrolýzy.

Ultrazvuk při elektrolytické rafinaci a elektrolytickém získávání kovů

Při elektrolytické rafinaci lze pevné usazeniny kovů, například mědi, přeměnit na suspenzi pevných částic v elektrolytu. Při elektrolytickém získávání kovů, nazývaném také elektroextrakce, lze elektrolytické vylučování kovů z jejich rud přeměnit na pevnou sraženinu. Běžnými kovy získávanými elektrolyticky jsou olovo, měď, zlato, stříbro, zinek, hliník, chrom, kobalt, mangan a kovy vzácných zemin a alkalické kovy.
Sonikace je rovněž účinným prostředkem k loužení rud.

Sonoelektrolytické čištění kapalin

Čistěte kapalinu, např. vodné roztoky, jako jsou odpadní voda, kal a podobně, tak, že roztok vedete elektrickým polem dvou elektrod! Elektrolýza může vodné roztoky dezinfikovat nebo čistit. Přivádění roztoku NaCI spolu s vodou skrze elektrody nebo přes elektrody vytváří Cl2 nebo CIO2, které mohou oxidovat nečistoty a dezinfikovat vodu nebo vodné roztoky. Pokud voda obsahuje dostatek přirozených chloridů, přidávání není nutné.
Ultrazvukové vibrace elektrody mohou mezní vrstvu mezi elektrodou a vodou učinit co nejtenčí. To může zlepšit přenos hmoty o mnoho řádů. Ultrazvukové vibrace a kavitace výrazně snižují tvorbu mikroskopických bublinek v důsledku polarizace. Použití ultrazvukových elektrod pro elektrolýzu značně zlepšuje proces elektrolytického čištění.

Sonoelektrokoagulace (ultrazvuková elektrokoagulace)

Elektrokoagulace je metoda čištění odpadních vod k odstraňování kontaminantů, jako jsou emulgovaný olej, celkové ropné uhlovodíky, refrakterní organické látky, nerozpuštěné látky a těžké kovy. Při čištění vody lze odstraňovat také radioaktivní ionty. Přidání sonikace k elektrokoagulaci, známé také jako sonoelektrokoagulace, má pozitivní vliv na účinnost odstranění chemické spotřeby kyslíku nebo zákalu. Kombinované procesy čištění s elektrokoagulací vykázaly výrazně zlepšený výkon při odstraňování znečišťujících látek z průmyslových odpadních vod. Začlenění kroku produkujícího volné radikály, jako je ultrazvuková kavitace, do elektrokoagulace vykazuje synergii a zlepšení celkového procesu čištění. Účelem použití těchto ultrazvukově-elektrolytických hybridních systémů je zvýšit celkovou účinnost čištění a odstranit nevýhody konvenčních procesů čištění. Bylo prokázáno, že hybridní ultrazvukově-elektrokoagulační reaktory inaktivují Escherichia coli ve vodě.

Ultrazvukový přístroj UIP2000hdT (2000 wattů, 20kHz) jako sonokatoda a/nebo sonoanoda v nádrži

Sonoelektrolytická generace činidel nebo reaktantů in situ

Mnoho chemických procesů, například heterogenní reakce nebo katalýza, těží z ultrazvukového míchání a ultrazvukové kavitace. Sonochemický vliv může zvýšit rychlost reakce nebo zlepšit výtěžky konverze.
Ultrazvukově rozkmitávané elektrody přinášejí chemickým reakcím nový výkonný nástroj. Nyní můžete kombinovat výhody sonochemie s elektrolýzou. Vyrábějte vodík, hydroxidové ionty, chlornan a mnoho dalších iontů nebo neutrálních látek 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 na chemickou strukturu extraktů. Při extrakci mandlí vedlo kombinované ošetření (PEF–US) k nejvyšším hodnotám celkových fenolických látek, celkových flavonoidů, kondenzovaných taninů, obsahu antokyanů a antioxidační aktivity. Snížilo sílu a chelatační aktivitu vůči kovům.
Ultrazvuk (US) a pulzní elektrické pole (PEF) lze využít ke zvýšení účinnosti procesu a rychlosti produkce ve fermentačních procesech díky zlepšení přenosu hmoty a propustnosti buněk.
Kombinace pulzního elektrického pole a ultrazvukového ošetření skutečně má vliv na kinetiku sušení vzduchem a kvalitu sušené zeleniny, například mrkve. Dobu sušení lze zkrátit o 20 až 40% při zachování rehydratačních vlastností.

Sonoelektrochemie / ultrazvuková elektrochemie

Přidejte ultrazvukem zesílenou elektrolýzu k produkci reaktantů nebo ke spotřebě produktů chemických reakcí, abyste posunuli konečnou rovnováhu chemické reakce nebo změnili reakční dráhu chemické reakce.

Doporučené uspořádání ultrazvukových elektrod

Inovativní konstrukce ultrazvukových přístrojů sondového typu mění standardní ultrazvukovou sonotrodu na ultrazvukem vibrující elektrodu. Díky tomu je ultrazvuk pro elektrody dostupnější, snáze integrovatelný a snadno škálovatelný na úroveň výroby. Jiné konstrukce rozkmitávaly pouze elektrolyt mezi dvěma nerozkmitávanými elektrodami. Stínění a vzorce šíření ultrazvukových vln vedou ve srovnání s přímým rozkmitáním elektrody k horším výsledkům. Ultrazvukové vibrace můžete přidat k anodám, resp. katodám. Napětí a polaritu elektrod samozřejmě můžete kdykoli změnit. Elektrody Hielscher Ultrasonics lze snadno dodatečně instalovat do stávajících sestav.

Utěsněný sonoelektrolytický článek a elektrochemické reaktory

K dispozici je tlakotěsné utěsnění mezi ultrazvukovou sonotrodou (elektrodou) a nádobou reaktoru. Elektrolytický článek proto můžete provozovat i při jiném než okolním tlaku. Kombinace ultrazvuku s tlakem se nazývá manosonikace. To může být zajímavé, pokud při elektrolýze vznikají plyny, při práci za vyšších teplot nebo při práci s těkavými kapalnými složkami. Těsně utěsněný elektrochemický reaktor může pracovat při tlacích nad nebo pod okolním tlakem. Těsnění mezi ultrazvukovou elektrodou a reaktorem může být elektricky vodivé nebo izolační. Druhá možnost umožňuje využít stěny reaktoru jako druhou elektrodu. Reaktor samozřejmě může mít vstupní a výstupní přípojky, aby fungoval jako reaktor typu průtokové cely pro kontinuální procesy. Hielscher Ultrasonics nabízí řadu standardizovaných reaktorů a průtokových cel s pláštěm. Případně si můžete vybrat z řady adaptérů pro připojení sonotrod Hielscher k vašemu elektrochemickému reaktoru.

Koncentrické uspořádání v trubkovém reaktoru

Pokud se ultrazvukově rozkmitávaná elektroda nachází blízko druhé, nerozkmitávané elektrody nebo blízko stěny reaktoru, ultrazvukové vlny se šíří kapalinou a ultrazvukové vlny působí i na ostatní povrchy. Ultrazvukově rozkmitávaná elektroda, která je koncentricky orientovaná v trubce nebo v reaktoru, může udržovat vnitřní stěny bez zanášení nebo bez nahromaděných pevných látek.

Teplota

Při použití standardních sonotrod Hielscher jako elektrod se teplota elektrolytu může pohybovat 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 brání přenosu hmoty, mohlo by být ultrazvukové míchání během elektrolýzy přínosné, protože zlepšuje přenos látky k elektrodám a od nich.

Sonoelektrolýza s pulzujícím proudem

Pulzující proud na ultrazvukově rozkmitávaných elektrodách vede k jiným produktům než stejnosměrný proud (DC). Pulzující proud může například zvýšit poměr ozonu ke kyslíku vznikajícímu na anodě při elektrolýze vodného kyselého roztoku, např. zředěné kyseliny sírové. Elektrolýzou ethanolu pulzním proudem vzniká aldehyd namísto převážně kyseliny.

Zařízení pro elektrosonikaci

Hielscher Ultrasonics vyvinula speciální sonoelektrochemickou úpravu průmyslových měničů. Upravený měnič funguje s téměř všemi typy sonotrod Hielscher.

Ultrazvukové elektrody (sonotrody)

Sonotrody jsou od ultrazvukového generátoru elektricky izolovány. Ultrazvukovou sonotrodu proto můžete připojit k elektrickému napětí, takže sonotroda může fungovat jako elektroda. Standardní elektrická izolační mezera mezi sonotrodami a zemnicím kontaktem je 2,5 mm. Na sonotrodu byste proto mohli přivést až 2500 voltů. Standardní sonotrody jsou plné a vyrobené z titanu. Proud elektrodou proto není téměř nijak omezen. Titan vykazuje dobrou korozní odolnost vůči mnoha alkalickým nebo kyselým elektrolytům. Možné jsou i alternativní materiály sonotrod, jako hliník (Al), ocel (Fe), nerezová ocel, nikl-chrom-molybden nebo niob. Hielscher nabízí cenově výhodné sonotrody ve funkci obětovaných anod, např. z hliníku nebo oceli.

Ultrazvukový generátor, napájení

Ultrazvukový generátor nevyžaduje žádnou úpravu a využívá standardní elektrickou zásuvku s uzemněním. Zesilovací kónus měniče a všechny vnější povrchy měniče a generátoru jsou samozřejmě připojeny k uzemnění zásuvky. Sonotroda a upínací prvek jsou jediné části připojené k napětí elektrody. To usnadňuje návrh uspořádání. Sonotrodu můžete připojit ke stejnosměrnému proudu (DC), pulzujícímu stejnosměrnému proudu nebo střídavému proudu (AC). Ultrazvukové elektrody lze provozovat jako anody, resp. katody.

Výrobní zařízení pro procesy elektrosonikace

Můžete použít jakékoli ultrazvukové zařízení Hielscher, jako UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT nebo UIP4000hdT, k přenosu až 4000 wattů ultrazvukového výkonu do jakékoli standardní sonotrody nebo kaskatrody. Povrchová intenzita ultrazvuku na povrchu sonotrody se může pohybovat od 1 wattu do 100 wattů watt na čtvereční centimetr. K dispozici jsou různé geometrie sonotrod s amplitudami od 1 mikronu do 150 mikronů (špička-špička). Ultrazvuková frekvence 20kHz je velmi účinná při vytváření kavitace a akustického proudění v elektrolytu. Ultrazvuková zařízení Hielscher mohou pracovat 24 hodin denně, sedm dní v týdnu. Můžete pracovat nepřetržitě při plném výstupním výkonu nebo v pulzním režimu, např. pro periodické čištění elektrod. Hielscher Ultrasonics může dodat ultrazvukové elektrody s ultrazvukovým výkonem až 16 kilowattů (mechanické rozkmitání) na jednu elektrodu. Elektrický výkon, který můžete k elektrodám připojit, není téměř nijak omezen.

Ještě jedna věc: sonoelektrostatické stříkání

Hielscher Ultrasonics vyrábí zařízení pro stříkání, zamlžování, atomizaci nebo aerosolizaci kapalin. Ultrazvuková rozprašovací sonotroda může kapalné mlze nebo aerosolům udělit kladný náboj. Tím se ultrazvukové rozprašování kombinuje s technologií elektrostatického stříkání, např. pro procesy nanášení povlaků.

Literatura / odkazy

• 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.