Sono-elektrokemi og dens fordele

Her finder du alt, hvad du behøver at vide om ultralydselektrokemi (sonoelektrokemi): arbejdsprincip, anvendelser, fordele og sono-elektrokemisk udstyr – Alle relevante oplysninger om sonoelektrokemi på én side.

Hvorfor anvende ultralyd til elektrokemi?

Kombinationen af lavfrekvente ultralydsbølger med høj intensitet og elektrokemiske systemer har mange fordele, som forbedrer effektiviteten og konverteringshastigheden af elektrokemiske reaktioner.

Arbejdsprincippet for ultralyd

Til højtydende ultralydsbehandling genereres højintensiv, lavfrekvent ultralyd af en ultralydsgenerator og transmitteres via en ultralydssonde (sonotrode) til en væske. Ultralyd med høj effekt betragtes som ultralyd i området 16-30kHz. Ultralydssonden udvider sig og trækker sig sammen f.eks. ved 20 kHz og sender derved henholdsvis 20.000 vibrationer i sekundet ind i mediet. Når ultralydsbølgerne bevæger sig gennem væsken, skaber skiftende højtryks- (kompression) / lavtrykscyklusser (sjældenhed eller ekspansion) små vakuumbobler eller hulrum, der vokser over flere trykcyklusser. Under kompressionsfasen af væsken og boblerne er trykket positivt, mens sjældenhedsfasen producerer et vakuum (undertryk). Under kompressions-ekspansionscyklusserne vokser hulrummene i væsken, indtil de når en størrelse, hvor de ikke kan absorbere mere energi. På dette tidspunkt imploderer de voldsomt. Implosionen af disse hulrum resulterer i forskellige meget energiske effekter, som er kendt som fænomenet akustisk / ultralydskavitation. Akustisk kavitation er kendetegnet ved mangfoldige meget energiske effekter, som påvirker væsker, faste / væskesystemer samt gas/væskesystemer. Den energitætte zone eller kavitationszone er kendt som den såkaldte hot-spot zone, som er mest energitæt i umiddelbar nærhed af ultralydssonden og falder med stigende afstand fra sonotroden. De vigtigste egenskaber ved ultralydskavitation inkluderer lokalt forekommende meget høje temperaturer og tryk og respektive differentialer, turbulenser og væskestrøm. Under implosionen af ultralydshulrum i ultralyds-hot-spots kan temperaturer på op til 5000 Kelvin, tryk på op til 200 atmosfærer og flydende stråler med op til 1000 km / t måles. Disse enestående energiintensive forhold bidrager til sonomekaniske og sonokemiske effekter, der intensiverer elektrokemiske systemer på forskellige måder.

Virkningerne af ultralyd på elektrokemiske systemer

Anvendelsen af ultralydbehandling til elektrokemiske reaktioner er kendt for forskellige virkninger på elektroderne, dvs. anode og katode, samt den elektrolytiske opløsning. Ultralydskavitation og akustisk streaming genererer betydelig mikrobevægelse, der rammer væskestråler og omrøring i reaktionsvæsken. Dette resulterer i forbedret hydrodynamik og bevægelse af væske/fast blanding. Ultralydskavitation reducerer den effektive tykkelse af diffusionslaget ved en elektrode. Et reduceret diffusionslag betyder, at sonikering minimerer koncentrationsforskellen, hvilket betyder, at konvergensen af koncentrationen i nærheden af en elektrode og koncentrationsværdien i bulkopløsningen fremmes ultralyd. Indflydelsen af ultralydsomrøring på koncentrationsgradienterne under reaktionen sikrer permanent tilførsel af frisk opløsning til elektroden og aflevering af reageret materiale. Dette betyder, at sonikering forbedrede den samlede kinetik, accelererede reaktionshastigheden og øgede reaktionsudbyttet.
Ved introduktion af ultralydsenergi i systemet såvel som den sonokemiske dannelse af frie radikaler kan elektrokemisk reaktion, som ellers ville have været elektroinaktiv, initieres. 
En anden vigtig effekt af akustiske vibrationer og streaming er den rensende effekt på elektrodeoverfladerne. Passiverende lag og tilsmudsning ved elektroderne begrænser effektiviteten og reaktionshastigheden af elektrokemiske reaktioner. Ultralydbehandling holder elektroderne permanent rene og fuldt aktive til reaktion.Ultralydbehandling er kendt for sine afgasningsvirkninger, som også er gavnlige i elektrokemiske reaktioner. Ved at fjerne uønskede gasser fra væsken kan reaktionen køre mere effektivt.

Anvendelser af sonoelektrokemi

Sonoelektrokemi kan anvendes til forskellige processer og i forskellige industrier. Meget almindelige anvendelser af sonoelektrokemi omfatter følgende:

• Nanopartikelsyntese (elektrosyntese)
• brintsyntese
• elektrokoagulation
• Spildevandsrensning
• Brydning af emulsioner
• Galvanisering / elektrodeposition

Sono-elektrokemisk syntese af nanopartikler

Ultralydbehandling blev anvendt med succes til at syntetisere forskellige nanopartikler i et elektrokemisk system. Magnetit, cadmium-selen (CdSe) nanorør, platin nanopartikler (NP'er), guld NP'er, metallisk magnesium, bismuthen, nano-sølv, ultrafint kobber, wolfram-kobolt (W-Co) legering nanopartikler, samaria / reduceret grafenoxid nanokomposit, sub-1nm poly (akrylsyre)-capped kobber nanopartikler og mange andre pulvere i nanostørrelse er blevet produceret med succes ved hjælp af sonoelektrokemi.
Fordelene ved den sonoelektrokemiske nanopartikelsyntese inkluderer

• undgåelse af reduktionsmidler og overfladeaktive stoffer
• Brug af vand som opløsningsmiddel
• justering af nanopartikelstørrelse ved hjælp af forskellige parametre (ultralydseffekt, strømtæthed, aflejringspotentiale og ultralyd vs elektrokemiske pulstider)

Ashasssi-Sorkhabi og Bagheri (2014) syntetiserede polypyrrolfilm sonoelektrokemisk og sammenlignede resultaterne med elektrokemisk syntetiserede polypyrrolfilm. Resultaterne viser, at den galvanostatiske sonoelektrodeposition producerede en stærkt klæbende og glat polypyrrolfilm (PPy) på stål med en strømtæthed på 4 mA cm–2 i 0,1 M oxalsyre/0,1 M pyrrolopløsning. Ved hjælp af sonoelektrokemisk polymerisation opnåede de højresistente og hårde PPy-film med glat overflade. Det har vist sig, at PPy-belægninger fremstillet ved sonoelektrokemi giver betydelig korrosionsbeskyttelse til St-12 stål. Den syntetiserede belægning var ensartet og udviste en høj korrosionsbestandighed. Alle disse resultater kan tilskrives det faktum, at ultralyden forstærkede masseoverførslen af reaktanterne og forårsagede høje kemiske reaktionshastigheder via akustisk kavitation og de deraf følgende høje temperaturer og tryk. Validiteten af impedansdata for St-12 stål/to PPy-belægninger/korrosive medier-grænsefladen blev kontrolleret ved hjælp af KK-transformationerne, og der blev observeret lave gennemsnitlige fejl.

Hass og Gedanken (2008) rapporterede om den vellykkede sono-elektrokemiske syntese af metalliske magnesiumnanopartikler. Effektiviteten i den sonoelektrokemiske proces af Gringard-reagenset i tetrahydrofuran (THF) eller i en dibutyldiglymopløsning var henholdsvis 41,35 % og 33,08 %. Tilføjelse af AlCl3 til Gringard-løsningen øgede effektiviteten dramatisk og øgede den til henholdsvis 82,70 % og 51,69 % i THF eller dibutyldiglym.

Sono-elektrokemisk brintproduktion

Ultralydsfremmet elektrolyse øger brintudbyttet fra vand eller alkaliske opløsninger betydeligt. Klik her for at læse mere om den ultralydaccelererede elektrolytiske brintsyntese!

Ultralydassisteret elektrokoagulation

Anvendelsen af lavfrekvent ultralyd til elektrokoagulationssystemer er kendt som sono-elektrokoagulation. Undersøgelser viser, at sonikering påvirker elektrokoagulation positivt, hvilket f.eks. i højere fjernelseseffektivitet af jernhydroxider fra spildevand. Den positive indvirkning af ultralyd på elektrokoagulation forklares ved reduktionen af elektrodepassivering. Lavfrekvent ultralyd med høj intensitet ødelægger aflejrede faste lag og fjerner dem effektivt og holder derved elektroderne kontinuerligt fuldt aktive. Desuden aktiverer ultralyd begge iontyper, dvs. kationer og anioner, der er til stede i elektrodernes reaktionszone. Ultralydomrøring resulterer i høj mikrobevægelse af opløsningen, der fodrer og transporterer råmateriale og produkt til og fra elektroderne.
Eksempler på vellykkede sono-elektrokoagulationsprocesser er reduktion af Cr(VI) til Cr(III) i det farmaceutiske spildevand, fjernelse af total fosfor fra spildevand fra den fine kemiske industri med en fosforfjernelseseffektivitet var 99,5% inden for 10 minutter, farve- og COD-fjernelse fra spildevand fra papirmasse- og papirindustrien osv. Rapporterede fjernelseseffektivitet for farve, COD, Cr(VI), Cu(II) og P var henholdsvis 100 %, 95 %, 100 %, 97,3 % og 99,84 %. (jf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-elektrokemisk nedbrydning af forurenende stoffer

Ultralydsfremmede elektrokemiske oxidations- og/eller reduktionsreaktioner anvendes som en kraftfuld metode til at nedbryde kemiske forurenende stoffer. Sonomekaniske og sonokemiske mekanismer fremmer den elektrokemiske nedbrydning af forurenende stoffer. Ultralydgenereret kavitation resulterer i intens omrøring, mikroblanding, masseoverførsel og fjernelse af passiverende lag fra elektroderne. Disse kavitationseffekter resulterer hovedsageligt i en forbedring af masseoverførslen mellem elektroderne og opløsningen mellem fast-væske. Sonokemiske virkninger påvirker molekyler direkte. Homolytisk spaltning af molekyler skaber meget reaktive oxidanter. I vandige medier og i nærvær af ilt produceres radikaler som HO•, HO2• og O•. •OH-radikaler er kendt for at være vigtige for effektiv nedbrydning af organiske materialer. Samlet set viser sono-elektrokemisk nedbrydning høj effektivitet og er velegnet til behandling af store mængder spildevandsstrømme og andre forurenede væsker.
For eksempel fandt Lllanos et al. (2016) fandt, at der blev opnået signifikant synergistisk effekt for vanddesinfektion, når det elektrokemiske system blev intensiveret ved sonikering (sono-elektrokemisk desinfektion). Denne stigning i desinfektionshastigheden viste sig at være relateret til suppressionen af E. coli-celleaggolomerater samt en øget produktion af desinfektionsmiddelarter. 
Esclapez et al. (2010) viste, at en specielt designet sonoelektrokemisk reaktor (dog ikke optimeret) blev brugt under opskaleringen af trichloreddikesyre (TCAA) nedbrydning, tilstedeværelsen af ultralydsfelt genereret med UIP1000hd gav bedre resultater (fraktioneret konvertering 97%, nedbrydningseffektivitet 26%, selektivitet 0,92 og strømeffektivitet 8%) ved lavere ultralydsintensiteter og volumetrisk flow. I betragtning af det faktum, at den sonoelektrokemiske reaktor før piloten endnu ikke var optimeret, er det meget sandsynligt, at disse resultater kan forbedres yderligere.

Ultralydsvoltametri og elektrodeposition

Elektrodeposition blev udført galvanostatisk ved en strømtæthed på 15 mA/cm2. Opløsninger blev udsat for ultralydbehandling før elektrodeposition i 5-60 minutter. En Hielscher UP200S sonde-type ultralydsapparat blev brugt ved en cyklustid på 0,5. Ultralydbehandling blev opnået ved direkte at dyppe ultralydssonden i opløsningen. For at evaluere ultralydspåvirkningen på opløsningen før elektrodeposition blev cyklisk voltametri (CV) brugt til at afsløre opløsningens opførsel og gør det muligt at forudsige ideelle betingelser for elektroaflejring. Det observeres, at når opløsningen udsættes for ultralydbehandling før elektrodeposition, begynder aflejring ved mindre negative potentielle værdier. Dette betyder, at der ved samme strøm i opløsningen kræves mindre potentiale, da arterne i opløsningen opfører sig mere aktive end i ikke-ultralydsbehandlede. (jf. Yurdal & Karahan 2017)

Højtydende elektrokemiske sonder og SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics er din mangeårige erfarne partner til højtydende ultralydssystemer. Vi fremstiller og distribuerer avancerede ultralydssonder og reaktorer, som bruges over hele verden til tunge applikationer i krævende miljøer. Til sonoelektrokemi har Hielscher udviklet specielle ultralydssonder, der kan fungere som katode og / eller anode, samt ultralydsreaktorceller, der er egnede til elektrokemiske reaktioner. Ultralydselektroder og celler fås til galvaniske / voltaiske såvel som elektrolytiske systemer.

Præcist kontrollerbare amplituder for optimale resultater

Alle Hielscher ultralydsprocessorer er præcist kontrollerbare og dermed pålidelige arbejdsheste i R&D og produktion. Amplituden er en af de afgørende procesparametre, der påvirker effektiviteten og effektiviteten af sonokemisk og sonomekanisk inducerede reaktioner. Alle Hielscher ultralydsapparater’ Processorer giver mulighed for den præcise indstilling af amplituden. Hielschers industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder og levere den krævede ultralydsintensitet til krævende sono-elektrochamale applikationer. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift.
Præcise amplitudeindstillinger og permanent overvågning af ultralydsprocesparametrene via smart software giver dig mulighed for at påvirke den sonoelektrokemiske reaktion præcist. Under hver sonikeringskørsel registreres alle ultralydsparametre automatisk på et indbygget SD-kort, så hver kørsel kan evalueres og kontrolleres. Optimal sonikering til mest effektive sonoelektrokemiske reaktioner!
Alt udstyr er bygget til 24/7/365 brug under fuld belastning, og dets robusthed og pålidelighed gør det til arbejdshesten i din elektrokemiske proces. Dette gør Hielschers ultralydsudstyr til et pålideligt arbejdsredskab, der opfylder dine sonoelektrokemiske proceskrav.

Højeste kvalitet – Designet og fremstillet i Tyskland

Som en familieejet og familiedrevet virksomhed prioriterer Hielscher de højeste kvalitetsstandarder for sine ultralydsprocessorer. Alle ultralydapparater er designet, fremstillet og grundigt testet i vores hovedkvarter i Teltow nær Berlin, Tyskland. Robustheden og pålideligheden af Hielschers ultralydsudstyr gør det til en arbejdshest i din produktion. 24/7 drift under fuld belastning og i krævende miljøer er en naturlig egenskab ved Hielschers højtydende ultralydssonder og reaktorer.

Kontakt os nu og fortæl os om dine elektrokemiske proceskrav! Vi vil anbefale dig de bedst egnede ultralydselektroder og reaktoropsætning!