Sono-elektrochemie a její výhody

Zde najdete vše, co potřebujete vědět o ultrazvukové elektrochemii (sonoelektrochemii): princip fungování, aplikace, výhody a sono-elektrochemické vybavení – všechny relevantní informace o sonoelektrochemii na jedné stránce.

Proč využívat ultrazvuk v elektrochemii?

Kombinace nízkofrekvenčních ultrazvukových vln o vysoké intenzitě s elektrochemickými systémy přináší rozmanité výhody, které zvyšují účinnost a rychlost konverze elektrochemických reakcí.

Princip fungování ultrazvuku

Pro vysoce výkonné ultrazvukové zpracování je nízkofrekvenční ultrazvuk o vysoké intenzitě generován ultrazvukovým generátorem a přenášen do kapaliny prostřednictvím ultrazvukové sondy (sonotrody). Za vysoce výkonný ultrazvuk se považuje ultrazvuk v rozsahu 16–30kHz. Ultrazvuková sonda se rozpíná a smršťuje např. při 20kHz, a přenáší tak do média 20 000 kmitů za sekundu. Když ultrazvukové vlny procházejí kapalinou, střídající se cykly vysokého tlaku (komprese) / nízkého tlaku (zředění neboli expanze) vytvářejí drobné vakuové bubliny neboli kavity, 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 kavity v kapalině rostou, dokud nedosáhnou velikosti, při níž již nemohou absorbovat další energii. V tomto okamžiku prudce implodují. Imploze těchto kavit vede k různým vysoce energetickým účinkům, které jsou známé jako jev akustické / ultrazvukové kavitace. Akustická kavitace se vyznačuje rozmanitými vysoce energetickými účinky, které působí na kapaliny, systémy pevná látka/kapalina i systémy plyn/kapalina. Energeticky hustá zóna neboli kavitační zóna je známá jako tzv. zóna hot-spotů, která je energeticky nejhustší v těsné blízkosti ultrazvukové sondy a s rostoucí vzdáleností od sonotrody slábne. Mezi hlavní charakteristiky ultrazvukové kavitace patří lokálně se vyskytující velmi vysoké teploty a tlaky a jejich příslušné rozdíly, turbulence a proudění kapaliny. Během imploze ultrazvukových kavit v ultrazvukových hot-spotech lze naměřit teploty až 5000 Kelvinů, tlaky až 200 atmosfér a proudy kapaliny o rychlosti až 1000km/h. Tyto mimořádné, energeticky intenzivní podmínky přispívají k sonomechanickým a sonochemickým účinkům, které různými způsoby intenzifikují elektrochemické systémy.

Účinky ultrazvuku na elektrochemické systémy

Aplikace sonikace na elektrochemické reakce je známá různými účinky na elektrody, tj. anodu a katodu, i na elektrolytický roztok. Ultrazvuková kavitace a akustické proudění vnášejí do reakční tekutiny výrazný mikropohyb, dopadající proudy kapaliny a promíchávání. To vede ke zlepšené hydrodynamice a pohybu směsi kapaliny a pevné látky. Ultrazvuková kavitace snižuje efektivní tloušťku difuzní vrstvy na elektrodě. Zmenšená difuzní vrstva znamená, že sonikace minimalizuje koncentrační rozdíl, tj. ultrazvuk podporuje vyrovnávání koncentrace v blízkosti elektrody s hodnotou koncentrace v objemu roztoku. Vliv ultrazvukového promíchávání na koncentrační gradienty během reakce zajišťuje trvalý přívod čerstvého roztoku k elektrodě a odvádění zreagovaného materiálu. To znamená, že sonikace zlepšila celkovou kinetiku, zrychlila reakci a zvýšila její výtěžek.
Zavedením ultrazvukové energie do systému a sonochemickou tvorbou volných radikálů lze iniciovat elektrochemickou reakci, která by jinak byla elektroinaktivní. Dalším důležitým účinkem akustických vibrací a proudění je čisticí účinek na povrchy elektrod. Pasivační vrstvy a zanášení elektrod omezují účinnost a rychlost elektrochemických reakcí. Sonikace udržuje elektrody trvale čisté a plně aktivní pro reakci. Sonikace je známá svými odplyňovacími účinky, které jsou prospěšné i v elektrochemických reakcích. Odstraněním nežádoucích plynů z kapaliny může reakce probíhat účinněji.

Aplikace sonoelektrochemie

Sonoelektrochemii lze uplatnit v různých procesech a v různých odvětvích. Mezi velmi běžné aplikace sonoelektrochemie patří:

• Syntéza nanočástic (elektrosyntéza)
• Syntéza vodíku
• Elektrokoagulace
• Čištění odpadních vod
• Rozrušování emulzí
• Galvanické pokovování / elektrodepozice
• Ohmický ohřev

Sono-elektrochemická syntéza nanočástic

Sonikace byla úspěšně použita k syntéze různých nanočástic v elektrochemickém systému. Pomocí sonoelektrochemie byly úspěšně vyrobeny magnetit, kadmium-selenové (CdSe) nanotrubice, platinové nanočástice (NPs), zlaté NPs, kovový hořčík, bismuthen, nanostříbro, ultrajemná měď, nanočástice slitiny wolfram–kobalt (W–Co), nanokompozit oxid samaritý/redukovaný oxid grafenu, měděné nanočástice o velikosti pod 1nm s obalem z poly(akrylové kyseliny) a mnoho dalších nanometrických prášků.
Mezi výhody sonoelektrochemické syntézy nanočástic patří

• eliminace redukčních činidel a povrchově aktivních látek
• použití vody jako rozpouštědla
• nastavení velikosti nanočástic změnou parametrů (výkon ultrazvuku, proudová hustota, depoziční potenciál a doby ultrazvukových vs elektrochemických pulzů)

Ashasssi-Sorkhabi a Bagheri (2014) syntetizovali polypyrrolové filmy sonoelektrochemicky a výsledky porovnali s elektrochemicky syntetizovanými polypyrrolovými filmy. Výsledky ukazují, že galvanostatická sonoelektrodepozice vytvořila na oceli silně přilnavý a hladký polypyrrolový (PPy) film při proudové hustotě 4 mA cm–2 v roztoku 0,1 M kyselina šťavelová/0,1 M pyrrol. Pomocí sonoelektrochemické polymerace získali vysoce odolné a houževnaté PPy filmy s hladkým povrchem. Bylo prokázáno, že PPy povlaky připravené sonoelektrochemicky poskytují oceli St-12 značnou ochranu proti korozi. Syntetizovaný povlak byl rovnoměrný a vykazoval vysokou korozní odolnost. Všechny tyto výsledky mohou být přičteny skutečnosti, že ultrazvuk zlepšil přenos hmoty reaktantů a prostřednictvím akustické kavitace a z ní vyplývajících vysokých teplot a tlaků způsobil vysoké rychlosti chemických reakcí. Platnost impedančních dat pro rozhraní ocel St-12/dva PPy povlaky/korozivní prostředí byla ověřena pomocí KK transformací a byly zjištěny nízké průměrné chyby.

Hass a Gedanken (2008) popsali úspěšnou sono-elektrochemickou syntézu nanočástic kovového hořčíku. Účinnosti sonoelektrochemického procesu Gringardova činidla v tetrahydrofuranu (THF) nebo v roztoku dibutyldiglymu činily 41,35% resp. 33,08%. Přídavek AlCl3 do Gringardova roztoku dramaticky zvýšil účinnost, a to na 82,70% v THF resp. 51,69% v dibutyldiglymu.

Sono-elektrochemická výroba vodíku

Elektrolýza podporovaná ultrazvukem výrazně zvyšuje výtěžek vodíku z vody nebo alkalických roztoků. Klikněte sem a přečtěte si více o elektrolytické syntéze vodíku urychlené ultrazvukem!

Elektrokoagulace podporovaná ultrazvukem

Aplikace nízkofrekvenčního ultrazvuku na elektrokoagulační systémy je známá jako sono-elektrokoagulace. Studie ukazují, že sonikace pozitivně ovlivňuje elektrokoagulaci, což vede např. k vyšší účinnosti odstraňování hydroxidů železa z odpadních vod. Pozitivní vliv ultrazvuku na elektrokoagulaci se vysvětluje snížením pasivace elektrod. Nízkofrekvenční ultrazvuk o vysoké intenzitě rozrušuje usazené pevné vrstvy a účinně je odstraňuje, čímž udržuje elektrody nepřetržitě plně aktivní. Ultrazvuk navíc aktivuje oba typy iontů, tj. kationty i anionty, přítomné v reakční zóně elektrod. Ultrazvukové promíchávání vede k intenzivnímu mikropohybu roztoku, který přivádí surovinu k elektrodám a odvádí produkt od nich.
Příklady úspěšných sono-elektrokoagulačních procesů jsou redukce Cr(VI) na Cr(III) ve farmaceutických odpadních vodách, odstraňování celkového fosforu z odpadních vod průmyslu čistých chemikálií s účinností odstranění fosforu 99,5% během 10 min., odstraňování barvy a CHSK (COD) z odpadních vod celulózového a papírenského průmyslu atd. Uváděné účinnosti odstranění barvy, CHSK, Cr(VI), Cu(II) a P byly v uvedeném pořadí 100%, 95%, 100%, 97,3% a 99,84%. (srov. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-elektrochemická degradace polutantů

Ultrazvukem podporované elektrochemické oxidační a/nebo redukční reakce se uplatňují jako účinná metoda degradace chemických polutantů. Sonomechanické a sonochemické mechanismy podporují elektrochemickou degradaci polutantů. Ultrazvukem generovaná kavitace vede k intenzivnímu promíchávání, mikromísení, přenosu hmoty a odstraňování pasivačních vrstev z elektrod. Tyto kavitační účinky vedou především ke zlepšení přenosu hmoty mezi pevnou a kapalnou fází, tj. mezi elektrodami a roztokem. Sonochemické účinky působí přímo na molekuly. Homolytickým štěpením molekul vznikají vysoce reaktivní oxidanty. Ve vodném prostředí a za přítomnosti kyslíku vznikají radikály jako HO•, HO2• a O•. Radikály •OH jsou známé jako důležité pro účinný rozklad organických materiálů. Celkově vykazuje sono-elektrochemická degradace vysokou účinnost a je vhodná pro čištění velkých objemů proudů odpadních vod a dalších znečištěných kapalin.
Například Lllanos et al. (2016) zjistili, že při dezinfekci vody byl dosažen významný synergický účinek, když byl elektrochemický systém intenzifikován sonikací (sono-elektrochemická dezinfekce). Bylo zjištěno, že toto zvýšení rychlosti dezinfekce souvisí s potlačením aglomerátů buněk E. coli a se zvýšenou tvorbou dezinfekčních látek. Esclapez et al. (2010) ukázali, že když byl při zvětšování měřítka degradace kyseliny trichloroctové (TCAA) použit speciálně navržený sonoelektrochemický reaktor (avšak neoptimalizovaný), přítomnost ultrazvukového pole generovaného přístrojem UIP1000hd poskytla lepší výsledky (frakční konverze 97%, účinnost degradace 26%, selektivita 0,92 a proudová účinnost 8%) při nižších ultrazvukových intenzitách a objemovém průtoku. Vzhledem k tomu, že pre-pilotní sonoelektrochemický reaktor ještě nebyl optimalizován, je velmi pravděpodobné, že tyto výsledky lze ještě dále zlepšit.

Ultrazvuková voltametrie a elektrodepozice

Elektrodepozice byla prováděna galvanostaticky při proudové hustotě 15 mA/cm2. Roztoky byly před elektrodepozicí podrobeny sonikaci po dobu 5–60 minut. Ultrazvukový přístroj Hielscher UP200S sondového typu byl použit s dobou cyklu 0,5. Sonikace byla prováděna přímým ponořením ultrazvukové sondy do roztoku. K vyhodnocení vlivu ultrazvuku na roztok před elektrodepozicí byla použita cyklická voltametrie (CV), která odhaluje chování roztoku a umožňuje předpovědět ideální podmínky pro elektrodepozici. Bylo pozorováno, že pokud je roztok před elektrodepozicí podroben sonikaci, depozice začíná při méně záporných hodnotách potenciálu. To znamená, že při stejném proudu v roztoku je zapotřebí nižší potenciál, protože částice v roztoku se chovají aktivněji než v roztocích bez sonikace. (srov. Yurdal & Karahan 2017)
Přečtěte si více o sonoelektrochemické depozici povlaků vylepšených nanočásticemi!

Vysoce výkonné elektrochemické sondy a SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics je váš dlouholetý zkušený partner pro vysoce výkonné ultrazvukové systémy. Vyrábíme a distribuujeme špičkové ultrazvukové sondy a reaktory, které se po celém světě používají pro aplikace s vysokým zatížením v náročných prostředích. Pro sonoelektrochemii vyvinula společnost Hielscher speciální ultrazvukové sondy, které mohou fungovat jako katoda a/nebo anoda, a také ultrazvukové reaktorové cely vhodné pro elektrochemické reakce. Ultrazvukové elektrody a cely jsou k dispozici pro galvanické / voltaické i elektrolytické systémy.

Přesně nastavitelné amplitudy pro optimální výsledky

Všechny ultrazvukové procesory Hielscher jsou přesně ovladatelné, a jsou tak spolehlivými pracovními koni ve výzkumu a vývoji i ve výrobě. Amplituda je jedním z klíčových procesních parametrů, které ovlivňují účinnost a efektivitu sonochemicky a sonomechanicky indukovaných reakcí. Všechny procesory Hielscher Ultrasonics umožňují přesné nastavení amplitudy. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy a požadovanou intenzitu ultrazvuku pro náročné sono-elektrochemické aplikace. Amplitudy až 200µm lze snadno provozovat nepřetržitě v režimu 24/7.
Přesné nastavení amplitudy a trvalé monitorování ultrazvukových procesních parametrů pomocí chytrého softwaru vám umožňují přesně ovlivňovat sonoelektrochemickou reakci. Během každého běhu sonikace se všechny ultrazvukové parametry automaticky zaznamenávají na vestavěnou SD kartu, takže každý běh lze vyhodnotit a kontrolovat. Optimální sonikace pro co nejúčinnější sonoelektrochemické reakce!
Veškeré zařízení je konstruováno pro provoz 24/7/365 při plném zatížení a jeho robustnost a spolehlivost z něj činí pracovního koně vašeho elektrochemického procesu. Díky tomu je ultrazvukové zařízení Hielscher spolehlivým pracovním nástrojem, který splňuje požadavky vašeho sonoelektrochemického procesu.

Nejvyšší kvalita – navrženo a vyrobeno v Německu

Jako rodinná firma ve vlastnictví a pod vedením rodiny klade Hielscher důraz na nejvyšší standardy kvality svých ultrazvukových procesorů. Všechny ultrazvukové přístroje jsou navrhovány, vyráběny a důkladně testovány v našem sídle v Teltow nedaleko Berlína v Německu. Robustnost a spolehlivost ultrazvukových zařízení Hielscher z nich činí pracovního koně vaší výroby. Provoz 24/7 při plném zatížení a v náročných prostředích je přirozenou vlastností vysoce výkonných ultrazvukových sond a reaktorů Hielscher.

Kontaktujte nás nyní a sdělte nám požadavky svého elektrochemického procesu! Doporučíme vám nejvhodnější ultrazvukové elektrody a sestavu reaktoru!