Elektrosonikering – Ultralydselektroder

Elektrosonikering er kombinationen af elektricitetens virkninger og sonikeringens virkninger. Hielscher Ultrasonics har udviklet en ny og elegant metode til at bruge enhver sonotrode som elektrode. Dette placerer ultralydens effekt direkte ved grænsefladen mellem ultralydselektroden og væsken. Her kan den fremme elektrolyse, forbedre masseoverførslen og bryde grænselag eller aflejringer. Hielscher leverer udstyr i produktionskvalitet til elektrosonikering i batchprocesser og inlineprocesser i enhver skala. Du kan kombinere elektrosonikering med manosonikering (tryk) og termosonikering (temperatur).

Anvendelser af ultralydselektroder

Anvendelsen af ultralyd på elektroder er en ny teknologi med fordele for mange forskellige processer inden for elektrolyse, galvanisering, elektrisk rensning, brintproduktion og elektrokoagulation, partikelsyntese eller andre elektrokemiske reaktioner. Hielscher Ultrasonics har ultralydselektroder til rådighed til forskning og udvikling inden for elektrolyse i laboratorieskala eller pilotskala. Når du har testet og optimeret din elektrolytiske proces, kan du bruge Hielscher Ultrasonics’ ultralydsudstyr i produktionsstørrelse til at opskalere dine procesresultater til industriel produktion. Nedenfor finder du forslag og anbefalinger til brugen af ultralydselektroder.

Sonoelektrolyse (ultralydselektrolyse)

Elektrolyse er omdannelsen mellem atomer og ioner ved fjernelse eller tilførsel af elektroner som følge af tilførsel af en elektrisk strøm. Elektrolysens produkter kan have en anden fysisk tilstandsform 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. Ultralydsbevægelse af en elektrode kan løsne faste aflejringer fra elektrodeoverfladen. Ultralydsafgasning danner hurtigt større gasbobler fra mikroboblers opløste gasser. Dette fører til en hurtigere adskillelse af de gasformige produkter fra elektrolytten.

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

Ultralydsforstærket masseoverførsel ved elektrodeoverfladen

Under elektrolyseprocessen ophobes produkterne nær elektroderne eller på elektrodeoverfladen. Ultralydsbevægelse er et meget effektivt middel til at øge masseoverførslen ved grænselag. Denne effekt bringer frisk elektrolyt i kontakt med elektrodeoverfladen. Kavitationsstrømningen transporterer elektrolysens produkter, såsom gasser eller faste stoffer, væk fra elektrodeoverfladen. Dermed forhindres den hæmmende dannelse af isolerende lag.

Ultralydens virkninger på dekompositionspotentialet

Ultralydsbevægelse af anoden, katoden eller begge elektroder kan påvirke dekompositionspotentialet eller dekompositionsspændingen. Kavitation alene er kendt for at bryde molekyler og danne frie radikaler eller ozon. Kombinationen af kavitation og elektrolyse i en ultralydsforstærket elektrolyse kan påvirke den mindste nødvendige spænding mellem anoden og katoden i en elektrolytisk celle, for at elektrolyse kan finde sted. Kavitationens mekaniske og sonokemiske virkninger kan også forbedre elektrolysens energieffektivitet.

Ultralyd ved elektrolytisk raffinering og elektrolytisk udvinding

Ved elektrolytisk raffinering kan faste aflejringer af metaller såsom kobber omdannes til en suspension af faste partikler i elektrolytten. Ved elektrolytisk udvinding, også kaldet elektroekstraktion, kan elektrolytisk aflejring af metaller fra deres malme omdannes til fast bundfald. Almindelige metaller, der udvindes elektrolytisk, er bly, kobber, guld, sølv, zink, aluminium, krom, kobolt, mangan samt sjældne jordartsmetaller og alkalimetaller.
Sonikering er også et effektivt middel til udvaskning af malme.

Sonoelektrolytisk rensning af væsker

Rens en væske, f.eks. en vandig opløsning som spildevand, slam eller lignende, ved at føre opløsningen gennem det elektriske felt mellem to elektroder! Elektrolyse kan desinficere eller rense vandige opløsninger. Når en NaCI-opløsning sammen med vand føres gennem elektroder eller hen over elektroder, dannes Cl2 eller CIO2, som kan oxidere urenheder og desinficere vandet eller de vandige opløsninger. Hvis vandet indeholder tilstrækkeligt med naturlige klorider, er tilsætning ikke nødvendig.
Elektrodens ultralydsvibrationer kan gøre grænselaget mellem elektroden og vandet så tyndt som muligt. Dette kan forbedre masseoverførslen med mange størrelsesordener. Ultralydsvibrationerne og kavitationen reducerer betydeligt dannelsen af mikroskopiske bobler som følge af polarisering. Brugen af ultralydselektroder til elektrolyse forbedrer den elektrolytiske rensningsproces betydeligt.

Sonoelektrokoagulation (ultralydselektrokoagulation)

Elektrokoagulation er en metode til spildevandsbehandling til fjernelse af forurenende stoffer såsom emulgeret olie, samlede petroleumskulbrinter, svært nedbrydelige organiske stoffer, suspenderede faste stoffer og tungmetaller. Radioaktive ioner kan også fjernes med henblik på vandrensning. Tilføjelsen af sonikering til elektrokoagulation, også kendt som sonoelektrokoagulation, har en positiv virkning på det kemiske iltforbrug eller effektiviteten af turbiditetsfjernelsen. Kombinerede behandlingsprocesser med elektrokoagulation har vist markant forbedret ydeevne ved fjernelse af forurenende stoffer fra industrielt spildevand. Integrationen af et trin, der danner frie radikaler, såsom ultralydskavitation, med elektrokoagulation viser synergi og forbedringer i den samlede rensningsproces. Formålet med at anvende disse hybride ultralyds-elektrolytiske systemer er at øge den samlede behandlingseffektivitet og eliminere ulemperne ved konventionelle behandlingsprocesser. Det er blevet påvist, at hybride ultralyds-elektrokoagulationsreaktorer inaktiverer Escherichia coli i vand.

Ultralydsapparatet UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) som sonokatode og/eller sonoanode i en tank

Sonoelektrolytisk dannelse af reagenser eller reaktanter in situ

Mange kemiske processer såsom heterogene reaktioner eller katalyse har gavn af ultralydsbevægelse og ultralydskavitation. Den sonokemiske påvirkning kan øge reaktionshastigheden eller forbedre omdannelsesudbyttet.
Elektroder, der bevæges ved hjælp af ultralyd, tilføjer et nyt, effektivt værktøj til kemiske reaktioner. Nu kan du kombinere fordelene ved sonokemi med elektrolyse. Producer brint, hydroxidioner, hypoklorit og mange andre ioner eller neutrale stoffer direkte i ultralydskavitationsfeltet. Elektrolysens produkter kan fungere som reagenser eller som reaktanter i den kemiske reaktion.

Kombination af ultralyd og pulserende elektrisk felt

Kombinationen af pulserende elektrisk felt (PEF) og ultralyd (US) har positive virkninger på ekstraktionen af fysisk-kemiske, bioaktive forbindelser og på ekstrakters kemiske struktur. Ved ekstraktion af mandler har kombineret behandling (PEF–US) givet de højeste niveauer af samlede fenolforbindelser, samlede flavonoider, kondenserede tanniner, anthocyaninindhold og antioxidantaktivitet. Den reducerede effekten og den metalchelaterende aktivitet.
Ultralyd (US) og pulserende elektrisk felt (PEF) kan anvendes til at øge proceseffektiviteten og produktionshastigheden i fermenteringsprocesser ved at forbedre masseoverførslen og cellepermeabiliteten.
Kombinationen af pulserende elektrisk felt og ultralydsbehandling påvirker lufttørringskinetikken og kvaliteten af tørrede grøntsager såsom gulerødder. Tørretiden kan reduceres med 20 til 40%, samtidig med at rehydreringsegenskaberne bevares.

Sonoelektrokemi / Ultralydselektrokemi

Tilføj ultralydsforstærket elektrolyse for at producere reaktanter eller forbruge produkter fra kemiske reaktioner med henblik på at forskyde den kemiske reaktions endelige ligevægt eller ændre den kemiske reaktionsvej.

Forslag til opstilling af ultralydselektroder

Det innovative design til ultralydsapparater med sonde omdanner en standardultralydssonotrode til en elektrode, der vibrerer med ultralyd. Dette gør ultralyd til elektroder mere tilgængelig, lettere at integrere og nem at opskalere til produktion. Andre konstruktioner satte kun elektrolytten mellem to elektroder uden bevægelse i bevægelse. Skyggevirkninger og ultralydsbølgernes udbredelsesmønstre giver ringere resultater sammenlignet med direkte bevægelse af elektroden. Du kan tilføre ultralydsvibrationer til henholdsvis anoder eller katoder. Du kan naturligvis ændre elektrodernes spænding og polaritet når som helst. Hielscher Ultrasonics’ elektroder er nemme at eftermontere i eksisterende opstillinger.

Tæt sonoelektrolytisk celle og elektrokemiske reaktorer

En tryktæt tætning mellem ultralydssonotroden (elektroden) og en reaktorbeholder fås. Derfor kan du drive den elektrolytiske celle ved et andet tryk end det omgivende tryk. Kombinationen af ultralyd og tryk kaldes manosonikering. Dette kan være interessant, hvis elektrolysen producerer gasser, ved arbejde ved højere temperaturer eller ved arbejde med flygtige væskekomponenter. 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 bruge reaktorvæggene som en anden elektrode. Reaktoren kan naturligvis have indløbs- og udløbsporte, så den kan fungere som en flowcellereaktor til kontinuerlige processer. Hielscher Ultrasonics tilbyder en række standardiserede reaktorer og flowceller med kappe. Alternativt kan du vælge mellem en række adaptere til at montere sonotroder fra Hielscher i din elektrokemiske reaktor.

Koncentrisk placering i en rørreaktor

Hvis elektroden, der bevæges ved hjælp af ultralyd, er tæt på en anden elektrode uden bevægelse eller tæt på en reaktorvæg, udbreder ultralydsbølgerne sig gennem væsken og virker også på de andre overflader. En elektrode, der bevæges ved hjælp af ultralyd og er placeret koncentrisk i et rør eller i en reaktor, kan holde de indvendige vægge fri for belægninger eller ophobede faste stoffer.

Temperatur

Ved brug af standardsonotroder fra Hielscher 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 fås på forespørgsel. Kombinationen af ultralyd og temperatur kaldes termosonikering.

Viskositet

Hvis elektrolyttens viskositet hæmmer masseoverførslen, kan blanding ved hjælp af ultralydsbevægelse under elektrolysen være gavnlig, da den forbedrer overførslen af materialet til og fra elektroderne.

Sonoelektrolyse med pulserende strøm

Pulserende strøm på elektroderne, der bevæges ved hjælp af ultralyd, giver andre produkter end jævnstrøm (DC). For eksempel kan pulserende strøm øge forholdet mellem ozon og ilt, som produceres ved anoden under elektrolyse af en vandig sur opløsning, f.eks. fortyndet svovlsyre. Elektrolyse af ethanol med pulserende strøm producerer et aldehyd i stedet for primært en syre.

Udstyr til elektrosonikering

Hielscher Ultrasonics har udviklet en særlig sonoelektrokemisk opgradering til de industrielle transducere. Den opgraderede transducer fungerer med næsten alle typer sonotroder fra Hielscher.

Ultralydselektroder (sonotroder)

Sonotroderne er elektrisk isoleret fra ultralydsgeneratoren. Derfor kan du tilslutte ultralydssonotroden til en elektrisk spænding, så sonotroden kan fungere som elektrode. Den elektriske isolationsafstand mellem sonotroderne og jordkontakten er som standard 2,5 mm. Derfor kan du påføre sonotroden op til 2500 volt. Standardsonotroder er massive og fremstillet af titan. Derfor er der næsten ingen begrænsning for elektrodestrømmen. Titan har god korrosionsbestandighed over for mange alkaliske eller sure elektrolytter. Alternative sonotrodematerialer såsom aluminium (Al), stål (Fe), rustfrit stål, nikkel-krom-molybdæn eller niobium er mulige. Hielscher tilbyder omkostningseffektive sonotroder som offeranoder, f.eks. fremstillet af aluminium eller stål.

Ultralydsgenerator, strømforsyning

Ultralydsgeneratoren kræver ingen ændringer og bruger en almindelig stikkontakt med jord. Transducerhornet og alle udvendige overflader på transduceren og generatoren er naturligvis tilsluttet stikkontaktens jordforbindelse. Sonotroden og et afstivningselement er de eneste dele, der er tilsluttet elektrodespændingen. Dette letter konstruktionen af opstillingen. Du kan tilslutte sonotroden til jævnstrøm (DC), pulserende jævnstrøm eller vekselstrøm (AC). Ultralydselektroder kan anvendes som henholdsvis anoder eller katoder.

Produktionsudstyr til elektrosonikeringsprocesser

Du kan bruge ethvert ultralydsapparat fra Hielscher såsom UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT eller UIP4000hdT til at koble op til 4000 watt ultralydseffekt ind i enhver standardsonotrode eller cascatrode. Ultralydens overfladeintensitet på sonotrodeoverfladen kan være mellem 1 watt og 100 watt watt pr. kvadratcentimeter. Forskellige sonotrodegeometrier med amplituder fra 1 mikrometer til 150 mikrometer (spids til spids) fås. Ultralydsfrekvensen på 20kHz er meget effektiv til at frembringe kavitation og akustisk strømning i elektrolytten. Ultralydsapparater fra Hielscher kan køre 24 timer om dagen, syv dage om ugen. Du kan køre kontinuerligt ved fuld udgangseffekt eller pulsere, f.eks. til periodisk rengøring af elektroderne. Hielscher Ultrasonics kan levere ultralydselektroder med op til 16 kilowatt ultralydseffekt (mekanisk bevægelse) pr. enkelt elektrode. Der er næsten ingen grænse for den elektriske effekt, du kan tilføre elektroderne.

En ting mere: Sonoelektrostatisk sprøjtning

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

Litteratur / Referencer

• 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.