Elektro-sonikering – Ultralyd elektroder

Elektrosonikering er kombinationen af virkningerne af elektricitet med virkningerne af sonikering. Hielscher Ultrasonics udviklede en ny og elegant metode til at bruge enhver sonotrode som elektrode. Dette sætter ultralydens kraft direkte på grænsefladen mellem ultralydselektrode og væske. Der kan det fremme elektrolyse, forbedre masseoverførsel og bryde grænselag eller aflejringer. Hielscher leverer udstyr til produktion til elektrosonikeringsprocesser i batch- og inline-processer i enhver skala. Du kan kombinere elektrosonikering med mano-sonikering (tryk) og termo-sonikering (temperatur).

Ultralydselektrode-applikationer

Anvendelsen af ultralyd på elektroder er en ny teknologi med fordele ved mange forskellige processer inden for elektrolyse, galvanisering, elektrorensning, brintgenerering og elektrokoagulation, partikelsyntese eller andre elektrokemiske reaktioner. Hielscher Ultrasonics har ultralydselektroder let tilgængelige til forskning og udvikling i laboratorieskala eller elektrolyse i pilotskala. Når du har testet og optimeret din elektrolytiske proces, kan du bruge Hielscher Ultrasonics ultralydsudstyr i produktionsstørrelse til at skalere dine procesresultater op til industrielle produktionsniveauer. Nedenfor finder du forslag og anbefalinger til brug af ultralydselektroder.

Sono-elektrolyse (ultralydselektrolyse)

Elektrolyse er udveksling af atomer og ioner ved fjernelse eller tilsætning af elektroner som følge af påføring af en elektrisk strøm. Produkterne fra elektrolyse kan have en anden fysisk tilstand end elektrolytten. Elektrolyse kan producere faste stoffer, såsom bundfald eller faste lag på en af elektroderne. Alternativt kan elektrolyse producere gasser, såsom brint, klor eller ilt. Ultralydomrøring af en elektrode kan bryde faste aflejringer fra elektrodens overflade. Ultralydsafgasning producerer hurtigt større gasbobler fra opløste gasser af mikrobobler. Dette fører til en hurtigere adskillelse af de gasformige produkter fra elektrolytten.

Ultralyd UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) som katode og / eller anode i en elektrolytisk celle

Ultralydsforbedret masseoverførsel på elektrodeoverfladen

Under elektrolyseprocessen ophobes produkterne i nærheden af elektroderne eller på elektrodeoverfladen. Ultralydomrøring er et meget effektivt værktøj til at øge masseoverførslen ved grænselag. Denne effekt bringer frisk elektrolyt i kontakt med elektrodeoverfladen. Den kavitationelle streaming transporterer produkter fra elektrolysen, såsom gasser eller faste stoffer, væk fra elektrodeoverfladen. Den hæmmende dannelse af isolerende lag forhindres derfor.

Effekter af ultralyd på nedbrydningspotentialet

Ultralydomrøring af anoden, katoden eller begge elektroder kan påvirke nedbrydningspotentialet eller nedbrydningsspændingen. Kavitation alene er kendt for at bryde molekyler, producere frie radikaler eller ozon. Kombinationen af kavitation med elektrolyse i en ultralydsforstærket elektrolyse kan påvirke den mindste nødvendige spænding mellem anode og katode i en elektrolytisk celle for at elektrolyse kan forekomme. De mekaniske og sonokemiske virkninger af kavitation kan også forbedre elektrolyseenergieffektiviteten.

Ultralyd i elektroraffinering og elektrovinding

I processen med elektroraffinering kan faste aflejringer af metaller, såsom kobber, omdannes til en suspension af faste partikler i elektrolytten. Ved elektrovinding, også kaldet elektroekstraktion, kan elektroaflejringen af metaller fra deres malme omdannes til fast bundfald. Almindelige elektrowon-metaller er bly, kobber, guld, sølv, zink, aluminium, krom, kobolt, mangan og sjældne jordarter og alkalimetaller. Ultralydbehandling er også et effektivt middel til udvaskning af malm.

Sono-elektrolytisk oprensning af væsker

Rens en væske, f.eks. en vandig opløsning som spildevand, slam eller lignende, ved at føre opløsningen gennem det elektriske felt af to elektroder! Elektrolyse kan desinficere eller rense vandige opløsninger. Tilførsel af en NaCI-opløsning sammen med vand gennem elektroder eller på tværs af elektroder genererer Cl2 eller CIO2, som kan oxidere urenheder og desinficere vandet eller vandige opløsninger. Hvis vandet indeholder tilstrækkelige naturlige chlorider, er der ikke behov for tilsætningen.
Ultralydsvibrationer af elektroden kan få grænselaget mellem elektroden og vandet så tyndt som muligt. Dette kan forbedre masseoverførslen med mange størrelsesordener. Ultralydsvibrationen og kavitationen reducerer dannelsen af mikroskopiske bobler på grund af polarisering betydeligt. Brugen af ultralydselektroder til elektrolyse forbedrer den elektrolytiske oprensningsproces betydeligt.

Sono-elektrokoagulation (ultralydselektrokoagulation)

Elektrokoagulation er en spildevandsbehandlingsmetode til fjernelse af forurenende stoffer, såsom emulgeret olie, samlede petroleumskulbrinter, ildfaste organiske stoffer, suspenderede faste stoffer og tungmetaller. Radioaktive ioner kan også fjernes fra til vandrensning. Tilsætningen af ultralydselektrokoagulation, også kendt som sono-elektrokoagulation, har en positiv effekt på kemisk iltbehov eller uklarhedsfjernelseseffektivitet. De kombinerede behandlingsprocesser for elektrokoagulering har vist sig at være stærkt forbedrede med hensyn til fjernelse af forurenende stoffer fra industrielt spildevand. Integrationen af et trin til fremstilling af frie radikaler, såsom ultralydskavitation med elektrokoagulation, viser synergi og forbedringer i den samlede rengøringsproces. Formålet med at anvende disse ultralyds-elektrolytiske hybridsystemer er at øge den samlede behandlingseffektivitet og eliminere ulemperne ved konventionelle behandlingsprocesser. Hybride ultralyds-elektrokoagulationsreaktorer har vist sig at inaktivere Escherichia coli i vand.

Ultralyd UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) som Sono-katode og / eller Sono-anode i en tank

Sono-elektrolytisk in-situ generering af reagenser eller reaktanter

Mange kemiske processer, såsom heterogene reaktioner eller katalyse, drager fordel af ultralydsomrøring og ultralydskavitation. Den sonokemiske indflydelse kan øge reaktionshastigheden eller forbedre konverteringsudbyttet.
Ultralydsomrørte elektroder tilføjer et nyt kraftfuldt værktøj til kemiske reaktioner. Nu kan du kombinere fordelene ved sonokemi med elektrolyse. Fremstil brint, hydroxidioner, hypochlorit og mange andre ioner eller neutrale materialer lige i ultralydskavitationsfeltet. Produkterne fra elektrolyse kan fungere som reagenser eller som reaktanter til den kemiske reaktion.

Kombination af ultralyd med pulserende elektrisk felt

Kombinationen af pulserende elektrisk felt (PEF) og ultralyd (US) har positive effekter for ekstraktionen af fysisk-kemiske, bioaktive forbindelser og den kemiske struktur af ekstrakter. Ved ekstraktion af mandler har kombineret behandling (PEF-US) produceret de højeste niveauer af totale phenoler, totale flavonoider, kondenstanniner, anthocyaninindhold og antioxidantaktivitet. Det reducerede kraften og metalchelateringsaktiviteten.
Ultralyd (US) og pulserende elektrisk felt (PEF) kan anvendes til at forbedre proceseffektiviteten og produktionshastigheden i gæringsprocesser ved at forbedre masseoverførsel og cellepermeabilitet.
Kombinationen af pulserende elektrisk felt og ultralydsbehandling har indflydelse på lufttørringskinetik og kvaliteten af tørrede grøntsager, såsom gulerødder. Tørretiden kan reduceres med 20 til 40 %, samtidig med at rehydreringsegenskaberne bevares.

Sono-Elektrokemi / Ultralyd Elektrokemi

Tilføj ultralydsforstærket elektrolyse for at producere reaktanter eller for at forbruge produkter af kemiske reaktioner for at flytte den endelige ligevægt i den kemiske reaktion eller for at ændre den kemiske reaktionsvej.

Foreslået opsætning af ultralydselektroder

Det innovative design til ultralydapparater af sondetype gør en standard ultralydssonotrode til en ultralydsvibrerende elektrode. Dette gør ultralyd til elektroder mere tilgængeligt, lettere at integrere og let skalerbart til produktionsniveauer. Andre designs omrørte kun elektrolytten mellem to ikke-omrørte elektroder. Skygge- og ultralydsbølgeudbredelsesmønstre giver ringere resultater sammenlignet med direkte elektrodeomrøring. Du kan tilføje ultralydsvibrationer til henholdsvis anoder eller katoder. Selvfølgelig kan du til enhver tid ændre spændingen og polariteten af elektroderne. Hielscher Ultrasonics-elektroder er nemme at eftermontere på eksisterende opsætninger.

Forseglede Sono-elektrolytiske celle- og elektrokemiske reaktorer

En tryktæt forsegling mellem ultralydssonotrode (elektrode) og en reaktorbeholder er tilgængelig. Derfor kan du betjene elektrolysecellen ved andet end omgivende tryk. Kombinationen af ultralyd med tryk kaldes mano-sonikering. Dette kan være af interesse, hvis elektrolysen producerer gasser, når der arbejdes ved højere temperaturer, eller når der arbejdes med flygtige flydende komponenter. En tæt forseglet elektrokemisk reaktor kan fungere ved tryk over eller under det omgivende tryk. Tætningen mellem ultralydselektroden og reaktoren kan gøres elektrisk ledende eller isolerende. Sidstnævnte gør det muligt at betjene reaktorvæggene som en anden elektrode. Selvfølgelig kan reaktoren have indløbs- og udløbsporte til at fungere som en flowcellereaktor til kontinuerlige processer. Hielscher Ultrasonics tilbyder en række standardiserede reaktorer og kappede flowceller. Alternativt kan du vælge mellem en række adaptere til at montere Hielscher sonotroder på din elektrokemiske reaktor.

Koncentrisk arrangement i rørreaktor

Hvis den ultralydsomrørte elektrode er i nærheden af en anden ikke-omrørt elektrode eller i nærheden af en reaktorvæg, forplanter ultralydsbølgerne sig gennem væsken, og ultralydsbølgerne vil også virke på de andre overflader. En ultralydsomrørt elektrode, der er koncentrisk orienteret i et rør eller i en reaktor, kan holde de indvendige vægge fri for tilsmudsning eller for ophobede faste stoffer.

temperatur

Ved brug af standard Hielscher sonotroder som elektroder kan elektrolyttemperaturen være mellem 0 og 80 grader Celsius. Sonotroder til andre elektrolyttemperaturer i området fra -273 grader Celsius til 500 grader Celsius er tilgængelige på forespørgsel. Kombinationen af ultralyd med temperatur kaldes termosonikering.

viskositet

Hvis elektrolyttens viskositet hæmmer masseoverførsel, kan ultralydsomrøringsblanding under elektrolyse være gavnlig, da det forbedrer overførslen af materialet til og fra elektroderne.

Sono-elektrolyse med pulserende strøm

Pulserende strøm på de ultralydsoprørte elektroder resulterer i produkter, der adskiller sig fra jævnstrøm (DC). For eksempel kan pulserende strøm øge forholdet mellem ozon og ilt produceret ved anoden i elektrolysen af en vandig sur opløsning, f.eks. fortyndet svovlsyre. Pulserende strømelektrolyse af ethanol producerer et aldehyd i stedet for primært en syre.

Udstyr til elektrosonikering

Hielscher Ultrasonics udviklede en speciel sonoelektrokemisk opgradering til de industrielle transducere. Den opgraderede transducer fungerer med næsten alle typer Hielscher sonotroder.

Ultralydselektroder (sonotroder)

Sonotroderne er elektrisk isoleret fra ultralydsgeneratoren. Derfor kan du tilslutte ultralydssonotroden til en elektrisk spænding, så sonotroden kan fungere som en elektrode. Standardafstanden mellem sonotroderne og jordkontakten er 2,5 mm. Derfor kan du anvende op til 2500 volt på sonotroden. Standard sonotroder er solide og lavet af titanium. Derfor er der næsten ingen begrænsning for elektrodestrømmen. Titanium viser en god korrosionsbestandighed over for mange alkaliske eller sure elektrolytter. Alternative sonotrodematerialer, såsom aluminium (Al), stål (Fe), rustfrit stål, nikkel-krom-molybdæn eller niob er mulige. Hielscher tilbyder omkostningseffektive offeranodesonotroder, f.eks. fremstillet af aluminium eller stål.

Ultralydsgenerator, strømforsyning

Ultralydsgeneratoren behøver ingen ændring, og den bruger en standard stikkontakt med jord. Transducerhornet og alle udvendige overflader på transduceren og generatoren er selvfølgelig forbundet til jord på stikkontakten. Sonotroden og et afstivningselement er de eneste dele, der er forbundet til elektrodespændingen. Dette letter designet af opsætningen. Du kan tilslutte sonotroden til jævnstrøm (DC), pulserende jævnstrøm eller vekselstrøm (AC). Ultralydselektroder kan betjenes som henholdsvis anoder eller katoder.

Produktionsudstyr til elektrosonikeringsprocesser

Du kan bruge enhver Hielscher ultralydsenhed, såsom UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT eller UIP4000hdT til at koble op til 4000 watt ultralydseffekt til enhver standard sonotrode eller cascatrode. Ultralydsoverfladeintensitet på sonotrodeoverfladen kan være mellem 1 watt og 100 watt watt pr. kvadratcentimeter. Forskellige sonotrodegeometrier med amplituder fra 1 mikron til 150 mikron (peak-peak) er tilgængelige. Ultralydsfrekvensen på 20kHz er meget effektiv til generering af kavitation og akustisk streaming i elektrolytten. Hielscher ultralydsenheder kan fungere 24 timer i døgnet, syv dage om ugen. Du kan arbejde kontinuerligt med fuld effekt eller pulsere, f.eks. til periodisk rengøring af elektroderne. Hielscher Ultrasonics kan levere ultralydselektroder med op til 16 kilowatt ultralydseffekt (mekanisk omrøring) pr. Enkelt elektrode. Der er næsten ingen grænse for den elektriske effekt, du kan tilslutte til elektroderne.

En ting mere: Sono-elektrostatisk sprøjtning

Hielscher Ultrasonics fremstiller udstyr til sprøjtning, forstøvning, forstøvning eller aerosolisering af væsker. Ultralydssprøjtesonotroden kan give væsketågen eller aerosolerne en positiv ladning. Dette kombinerer ultralydssprøjtning med elektrostatisk sprøjteteknologi, f.eks. til belægningsprocesser.