Sono-elektrochemie a její výhody
Zde najdete vše, co potřebujete vědět o ultrazvukové elektrochemii (sonoelektrochemii): princip činnosti, aplikace, výhody a sono-elektrochemické vybavení – Všechny relevantní informace o sonoelektrochemii na jedné stránce.
Proč aplikovat ultrazvuk na elektrochemii?
Kombinace nízkofrekvenčních ultrazvukových vln s vysokou intenzitou s elektrochemickými systémy přináší řadu výhod, které zlepšují účinnost a rychlost konverze elektrochemických reakcí.
Princip fungování ultrazvuku
Pro vysoce výkonné ultrazvukové zpracování je ultrazvuk s vysokou intenzitou a nízkou frekvencí generován ultrazvukovým generátorem a přenášen ultrazvukovou sondou (sonotrodou) do kapaliny. Za ultrazvuk s vysokým výkonem se považuje ultrazvuk v rozsahu 16-30kHz. Ultrazvuková sonda se roztahuje a smršťuje např. při 20 kHz, čímž do média přenáší 20 000 vibrací za sekundu. Když ultrazvukové vlny procházejí kapalinou, střídání vysokotlakých (kompresních) / nízkotlakých (zředění nebo expanze) cyklů vytváří nepatrné vakuové bubliny nebo dutiny, které rostou v průběhu několika tlakových cyklů. Během fáze komprese kapaliny a bublin je tlak kladný, zatímco fáze zředění vytváří vakuum (podtlak). Během cyklů komprese a expanze se dutiny v kapalině zvětšují, dokud nedosáhnou velikosti, při které nemohou absorbovat více energie. V tomto okamžiku se prudce zhroutí. Imploze těchto dutin má za následek různé vysoce energetické účinky, které jsou známé jako jev akustické / ultrazvukové kavitace. Akustická kavitace se vyznačuje rozmanitými vysoce energetickými účinky, které působí na kapaliny, systémy pevná látka/kapalina a také na systémy plyn/kapalina. Energeticky hustá zóna nebo kavitační zóna je známá jako takzvaná zóna horkého místa, která je energeticky nejhustší v těsné blízkosti ultrazvukové sondy a klesá s rostoucí vzdáleností od sonotrody. Mezi hlavní charakteristiky ultrazvukové kavitace patří lokálně se vyskytující velmi vysoké teploty a tlaky a příslušné diferenciály, turbulence a proudění kapaliny. Při implozi ultrazvukových dutin v ultrazvukových horkých místech lze měřit teploty až 5000 Kelvinů, tlaky až 200 atmosfér a trysky kapaliny o rychlosti až 1000 km/h. Tyto vynikající energeticky náročné podmínky přispívají k sonomechanickým a sonochemickým účinkům, které různými způsoby zesilují elektrochemické systémy.

Sondy ultrazvukových procesorů UIP2000hdT (2000 W, 20kHz) působí jako katoda a anoda v elektrolytickém článku
- Zvyšuje přenos hmoty
- Eroze / disperze pevných látek (elektrolytů)
- Narušení hranic pevných látek a kapalin
- Vysokotlaké cykly
Účinky ultrazvuku na elektrochemické systémy
Aplikace ultrazvuku na elektrochemické reakce je známá pro různé účinky na elektrody, tj. anodu a katodu, stejně jako na elektrolytický roztok. Ultrazvuková kavitace a akustické proudění generují významný mikropohyb, který naráží na trysky kapaliny a míchá se do reakční tekutiny. To má za následek zlepšenou hydrodynamiku a pohyb směsi kapalina a pevná látka. Ultrazvuková kavitace snižuje efektivní tloušťku difúzní vrstvy na elektrodě. Snížená difúzní vrstva znamená, že sonikace minimalizuje rozdíl v koncentraci, což znamená, že konvergence koncentrace v blízkosti elektrody a hodnota koncentrace v sypkém roztoku jsou podporovány ultrazvukem. Vliv ultrazvukového míchání na koncentrační gradienty během reakce zajišťuje trvalé podávání čerstvého roztoku na elektrodu a odvezení zreagovaného materiálu. To znamená, že sonikace zlepšila celkovou kinetiku, zrychlila reakční rychlost a zvýšila výtěžnost reakce.
Zavedením ultrazvukové energie do systému a sonochemickou tvorbou volných radikálů lze zahájit elektrochemickou reakci, která by jinak byla elektroinaktivní.
Dalším důležitým efektem akustických vibrací a proudění je čisticí účinek na povrchy elektrod. Pasivační vrstvy a zanášení elektrod omezují účinnost a reakční rychlost elektrochemických reakcí. Ultrazvuku udržuje elektrody trvale čisté a plně aktivní pro reakci. Ultrazvuku je dobře známý pro své odplyňovací účinky, které jsou prospěšné i při elektrochemických reakcích. Odstraněním nežádoucích plynů z kapaliny může reakce probíhat účinněji.
- Zvýšené elektrochemické výtěžky
- Zvýšená rychlost elektrochemických reakcí
- Zlepšená celková efektivita
- Snížená difúze vrstev
- Vylepšený přenos hmoty na elektrodě
- Aktivace povrchu na elektrodě
- Odstranění pasivačních vrstev a zanášení
- Snížené nadměrné potenciály elektrod
- Efektivní odplyňování roztoku
- Vynikající kvalita galvanického pokovování
Aplikace sonoelektrochemie
Sonoelektrochemie může být aplikována na různé procesy a v různých průmyslových odvětvích. Mezi velmi časté aplikace sonoelektrochemie patří:
- Syntéza nanočástic (elektrosyntéza)
- syntéza vodíku
- elektrokoagulace
- Čištění odpadních vod
- Rozbíjení emulzí
- Galvanické pokovování / elektrodepozice
Sono-elektrochemická syntéza nanočástic
Ultrazvuku byl úspěšně aplikován na syntézu různých nanočástic v elektrochemickém systému. Nanotrubice magnetitu, kadmia a selenu (CdSe), platinové nanočástice (NP), zlaté nanočástice, kovový hořčík, vizmuten, nanostříbro, ultrajemná měď, nanočástice slitiny wolframu a kobaltu (W-Co), nanokompozit z oxidu sařím/redukovaného oxidu grafenu, nanočástice mědi s poly(akrylovou kyselinou) pod 1 nm a mnoho dalších nanočástic bylo úspěšně vyrobeno pomocí sonoelektrochemie.
Mezi výhody sonoelektrochemické syntézy nanočástic patří
- Vyhýbání se redukčním činidlům a povrchově aktivním látkám
- Použití vody jako rozpouštědla
- nastavení velikosti nanočástic pomocí měnících se parametrů (ultrazvukový výkon, proudová hustota, depoziční potenciál a časy ultrazvukových vs. elektrochemických pulzů)
Ashasssi-Sorkhabi a Bagheri (2014) syntetizovali polypyrrolové filmy sonoelektrochemicky a výsledky porovnali s elektrochemicky syntetizovanými polypyrrolovými filmy. Výsledky ukazují, že galvanostatickou sonoelektrodepozicí vznikl na oceli silně přilnavý a hladký polypyrrolový (PPy) film s proudovou hustotou 4 mA cm–2 v roztoku 0,1 M kyseliny šťavelové/0,1 M pyrrolu. Pomocí sonoelektrochemické polymerace získali vysoce odolné a houževnaté PPy filmy s hladkým povrchem. Bylo prokázáno, že PPy povlaky připravené sonoelektrochemií poskytují oceli St-12 významnou ochranu proti korozi. Syntetizovaný povlak byl rovnoměrný a vykazoval vysokou odolnost proti korozi. Všechny tyto výsledky lze připsat skutečnosti, že ultrazvuk zvýšil přenos hmoty reaktantů a způsobil vysoké rychlosti chemických reakcí prostřednictvím akustické kavitace a z toho vyplývající vysoké teploty a tlaky. Platnost impedančních dat pro rozhraní St-12 ocel/dva PPy povlaky/korozivní média byla ověřena pomocí transformací KK a byly pozorovány nízké průměrné chyby.
Hass a Gedanken (2008) informovali o úspěšné sono-elektrochemické syntéze kovových nanočástic hořčíku. Účinnost sonoelektrochemického procesu Gringardova činidla v tetrahydrofuranu (THF) nebo v roztoku dibutyldiglymu byla 41,35 % a 33,08 %. Přidání AlCl3 do roztoku Gringard dramaticky zvýšilo účinnost na 82,70 % a 51,69 % v THF nebo dibutyldiglymu.
Sono-elektrochemická výroba vodíku
Ultrazvukem podporovaná elektrolýza významně zvyšuje výtěžek vodíku z vody nebo alkalických roztoků. Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukem urychlené elektrolytické syntéze vodíku!
Ultrazvukem asistovaná elektrokoagulace
Aplikace nízkofrekvenčního ultrazvuku na elektrokoagulační systémy je známá jako sono-elektrokoagulace. Studie ukazují, že sonikace ovlivňuje elektrokoagulaci pozitivně, což vede např. k vyšší účinnosti odstraňování hydroxidů železa z odpadních vod. Pozitivní vliv ultrazvuku na elektrokoagulaci je vysvětlen snížením pasivace elektrod. Nízkofrekvenční ultrazvuk s vysokou intenzitou ničí usazenou pevnou vrstvu a účinně ji odstraňuje, čímž udržuje elektrody nepřetržitě plně aktivní. Kromě toho ultrazvuk aktivuje oba typy iontů, tj. kationty a anionty, přítomné v reakční zóně elektrod. Ultrazvukové míchání má za následek vysoký mikropohyb roztoku, který přivádí a odvádí surovinu a produkt k elektrodám a z nich.
Příklady úspěšných sono-elektrokoagulačních procesů jsou redukce Cr(VI) na Cr(III) ve farmaceutických odpadních vodách, odstranění celkového fosforu z odpadních vod jemného chemického průmyslu s účinností odstranění fosforu 99,5 % během 10 minut, odstranění barvy a CHSK z odpadních vod celulózového a papírenského průmyslu atd. Hlášená účinnost odstranění pro barvu, CHSK, Cr(VI), Cu (II) a P byla 100 %, 95 %, 100 %, 97,3 % a 99,84 %. (srov. Al-Kajdáh & Al-Shannag, 2018)
Sono-elektrochemická degradace znečišťujících látek
Ultrazvukem podporované elektrochemické oxidační a/nebo redukční reakce se používají jako účinná metoda k degradaci chemických znečišťujících látek. Sonomechanické a sonochemické mechanismy podporují elektrochemickou degradaci znečišťujících látek. Ultrazvukem generovaná kavitace má za následek intenzivní míchání, mikromíchání, přenos hmoty a odstranění pasivačních vrstev z elektrod. Tyto kavitační efekty mají za následek především zvýšení přenosu hmoty pevná látka-kapalina mezi elektrodami a roztokem. Sonochemické účinky přímo ovlivňují molekuly. Homolytickým štěpením molekul vznikají vysoce reaktivní oxidanty. Ve vodném prostředí a v přítomnosti kyslíku vznikají radikály jako HO•, HO2• a O*. •Je známo, že OH radikály jsou důležité pro účinný rozklad organických materiálů. Celkově sono-elektrochemická degradace vykazuje vysokou účinnost a je vhodná pro čištění velkých objemů odpadních vod a jiných znečištěných kapalin.
Například Lllanos et al. (2016) zjistili, že významného synergického efektu bylo dosaženo při dezinfekci vody, když byl elektrochemický systém zesílen sonikací (sono-elektrochemickou dezinfekcí). Bylo zjištěno, že toto zvýšení rychlosti dezinfekce souvisí s potlačením aggolomerátů buněk E. coli a také se zvýšenou produkcí dezinfekčních druhů.
Esclapez et al. (2010) ukázali, že během škálování degradace kyseliny trichloroctové (TCAA) byl použit speciálně navržený sonoelektrochemický reaktor (avšak neoptimalizovaný), přítomnost ultrazvukového pole generovaného s UIP1000hd poskytla lepší výsledky (frakční konverze 97 %, účinnost degradace 26 %, selektivita 0,92 a proudová účinnost 8 %) při nižších intenzitách ultrazvuku a objemovém průtoku. Vzhledem k tomu, že předpilotní sonoelektrochemický reaktor ještě nebyl optimalizován, je velmi pravděpodobné, že tyto výsledky budou moci být ještě vylepšeny.
Ultrazvuková voltametrie a elektrodepozice
Elektrodepozice byla provedena galvanostaticky při proudové hustotě 15 mA/cm2. Roztoky byly podrobeny ultrazvuku před elektrodepozicí po dobu 5–60 minut. A Hielscher UP200S ultrazvukový přístroj typu sondy byl použit při době cyklu 0,5. Ultrazvuku bylo dosaženo přímým ponořením ultrazvukové sondy do roztoku. K vyhodnocení vlivu ultrazvuku na roztok před elektrolytickou depozicí byla použita cyklická voltametrie (CV), která odhalí chování roztoku a umožní předpovědět ideální podmínky pro elektrodepozici. Je pozorováno, že když je roztok před elektrodepozicí podroben ultrazvuku, depozice začíná při nižších hodnotách záporného potenciálu. To znamená, že při stejném proudu v roztoku je zapotřebí méně potenciálu, protože druhy v roztoku se chovají aktivněji než v neultrazvukových. (srov. Jurdal & Karahan 2017)
Vysoce výkonné elektrochemické sondy a SonoElectroReactors
Hielscher Ultrasonics je váš dlouholetý zkušený partner pro vysoce výkonné ultrazvukové systémy. Vyrábíme a distribuujeme nejmodernější ultrazvukové sondy a reaktory, které se používají po celém světě pro náročné aplikace v náročných prostředích. Pro sonoelektrochemii vyvinul Hielscher speciální ultrazvukové sondy, které mohou fungovat jako katoda a/nebo anoda, stejně jako ultrazvukové reaktorové články vhodné pro elektrochemické reakce. Ultrazvukové elektrody a články jsou k dispozici pro galvanické / voltaické i elektrolytické systémy.
Přesně regulovatelné amplitudy pro optimální výsledky
Všechny ultrazvukové procesory Hielscher jsou přesně ovladatelné, a tím spolehlivé pracovní koně v R&D a výroba. Amplituda je jedním z klíčových procesních parametrů, které ovlivňují účinnost a účinnost sonochemicky a sonomechanicky indukovaných reakcí. Všechny Hielscher Ultrazvuk’ Procesory umožňují přesné nastavení amplitudy. Hielscherovy průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy a dodávat požadovanou ultrazvukovou intenzitu pro náročné sono-elektrochamické aplikace. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7.
Přesné nastavení amplitudy a trvalé sledování parametrů ultrazvukového procesu pomocí inteligentního softwaru vám dává možnost přesně ovlivnit sonoelektrochemickou reakci. Během každého běhu ultrazvuku jsou všechny ultrazvukové parametry automaticky zaznamenány na vestavěnou SD kartu, takže každý běh může být vyhodnocen a řízen. Optimální sonikace pro nejúčinnější sonoelektrochemické reakce!
Všechna zařízení jsou konstruována pro použití 24/7/365 při plném zatížení a jejich robustnost a spolehlivost z nich činí tahouna ve vašem elektrochemickém procesu. Díky tomu je Hielscherovo ultrazvukové zařízení spolehlivým pracovním nástrojem, který splňuje vaše požadavky na sonoelektrochemický proces.
Nejvyšší kvalita – Navrženo a vyrobeno v Německu
Jako rodinný podnik Hielscher upřednostňuje nejvyšší standardy kvality svých ultrazvukových procesorů. Všechny ultrasonicators jsou navrženy, vyrobeny a důkladně testovány v našem sídle v Teltow poblíž Berlína v Německu. Robustnost a spolehlivost ultrazvukového zařízení Hielscher z něj činí pracovního koně ve vaší výrobě. Provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu při plném zatížení a v náročných prostředích je přirozenou charakteristikou vysoce výkonných ultrazvukových sond a reaktorů Hielscher.
Kontaktujte nás nyní a sdělte nám své požadavky na elektrochemické procesy! Doporučíme vám nejvhodnější nastavení ultrazvukových elektrod a reaktorů!
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Literatura / Reference
- 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.
- Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): A Cyclic Voltammetry Study on Electrodeposition of Cu-Zn Alloy Films: Effect of Ultrasonication Time. Acta Physica Polonica Vol 132, 2017. 1087-1090.
- Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): An Introduction to Sonoelectrochemistry In: Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution, First Edition. Edited by Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, Ltd.
- Llanos, J.; Cotillas, S.; Cañizares, P.; Rodrigo, M. (2016): Conductive diamond sono-electrochemical disinfection 1 ( CDSED ) for municipal wastewater reclamation. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 22, January 2015. 493-498.
- Haas, I.: Gedanken A. (2008): Synthesis of metallic magnesium nanoparticles by sonoelectrochemistry. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795-1798.
- Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri R. (2014): Sonoelectrochemical and Electrochemical Synthesis of Polypyrrole Films on St-12 Steel and Their Corrosion and Morphological Studies. Advances in Polymer Technology Vol. 33, Issue 3; 2014.
- Esclapez, M.D.; VSáez, V.; Milán-Yáñez, D.; Tudela, I.; Louisnard, O.; González-García, J. (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry 17, 2010. 1010-1010.