Sonoelektrokemi og dens fordele

Her finder du alt, hvad du behøver at vide om ultralydselektrokemi (sonoelektrokemi): funktionsprincip, anvendelser, fordele og sonoelektrokemisk udstyr – alle relevante oplysninger om sonoelektrokemi på én side.

Hvorfor anvende ultralyd i elektrokemi?

Kombinationen af lavfrekvente ultralydsbølger med høj intensitet og elektrokemiske systemer giver mange fordele, som forbedrer effektiviteten og omsætningshastigheden i elektrokemiske reaktioner.

Ultralydens funktionsprincip

Til højtydende ultralydsbehandling genereres lavfrekvent ultralyd med høj intensitet af en ultralydsgenerator og overføres 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 ved f.eks. 20kHz og overfører dermed henholdsvis 20.000 vibrationer pr. sekund til mediet. Når ultralydsbølgerne bevæger sig gennem væsken, skaber skiftende højtrykscyklusser (kompression) / lavtrykscyklusser (fortynding eller ekspansion) meget små vakuumbobler eller hulrum, som vokser over flere trykcyklusser. Under væskens og boblernes kompressionsfase er trykket positivt, mens fortyndingsfasen skaber et vakuum (negativt tryk). Under kompressions- og 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 medfører forskellige meget energirige virkninger, der er kendt som fænomenet akustisk kavitation / ultralydskavitation. Akustisk kavitation er kendetegnet ved mange meget energirige virkninger, som påvirker væsker, faststof/væske-systemer samt gas/væske-systemer. Den energitætte zone eller kavitationszone kaldes en såkaldt hot-spot-zone, hvor energitætheden er størst i ultralydssondens umiddelbare nærhed og aftager med stigende afstand fra sonotroden. De vigtigste egenskaber ved ultralydskavitation omfatter lokalt forekommende meget høje temperaturer og tryk samt de tilhørende temperatur- og trykforskelle, turbulens og væskestrømning. Under implosionen af ultralydsskabte hulrum i ultralydens hot-spots kan der måles temperaturer på op til 5000 kelvin, tryk på op til 200 atmosfærer og væskestråler med hastigheder på op til 1000km/h. Disse usædvanligt energirige forhold bidrager til sonomekaniske og sonokemiske virkninger, som intensiverer elektrokemiske systemer på forskellige måder.

Ultralydens virkninger på elektrokemiske systemer

Anvendelsen af sonikering i elektrokemiske reaktioner er kendt for forskellige virkninger på elektroderne, dvs. anoden og katoden, samt på elektrolytopløsningen. Ultralydskavitation og akustisk strømning skaber betydelige mikrobevægelser, anslående væskestråler og omrøring i reaktionsvæsken. Dette forbedrer hydrodynamikken og bevægelsen i blandingen af væske og fast stof. Ultralydskavitation reducerer diffusionslagets effektive tykkelse ved en elektrode. Et reduceret diffusionslag betyder, at sonikering minimerer koncentrationsforskellen, hvilket vil sige, at ultralyd fremmer en tilnærmelse mellem koncentrationen i nærheden af en elektrode og koncentrationen i hovedparten af opløsningen. Den ultralydsskabte omrørings indflydelse på koncentrationsgradienterne under reaktionen sikrer løbende tilførsel af frisk opløsning til elektroden og borttransport af reageret materiale. Det betyder, at sonikering forbedrer den samlede kinetik ved at accelerere reaktionshastigheden og øge reaktionsudbyttet.
Ved tilførsel af ultralydsenergi til systemet samt sonokemisk dannelse af frie radikaler kan en elektrokemisk reaktion, der ellers ville have været elektroinaktiv, igangsættes. En anden vigtig virkning af akustiske vibrationer og strømning er den rensende virkning på elektrodeoverfladerne. Passiverende lag og belægninger på elektroderne begrænser effektiviteten og reaktionshastigheden i elektrokemiske reaktioner. Sonikering holder elektroderne konstant rene og fuldt aktive til reaktionen. Sonikering er velkendt for sine afgasningsvirkninger, som også er gavnlige i elektrokemiske reaktioner. Når uønskede gasser fjernes fra væsken, kan reaktionen forløbe mere effektivt.

Anvendelser af sonoelektrokemi

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

• Syntese af nanopartikler (elektrosyntese)
• Brintsyntese
• Elektrokoagulation
• Spildevandsbehandling
• Brydning af emulsioner
• Galvanisk belægning / elektroaflejring
• Ohmsk opvarmning

Sonoelektrokemisk syntese af nanopartikler

Sonikering er med succes blevet anvendt til at syntetisere forskellige nanopartikler i et elektrokemisk system. Magnetit, cadmium-selen-nanorør (CdSe), platinnanopartikler (NP’er), guld-NP’er, metallisk magnesium, bismuthen, nanosølv, ultrafint kobber, nanopartikler af wolfram–kobolt-legering (W–Co), nanokomposit af samariumoxid/reduceret grafenoxid, kobbernanopartikler under 1nm med en overfladebeklædning af poly(akrylsyre) og mange andre pulvere i nanostørrelse er med succes blevet fremstillet ved hjælp af sonoelektrokemi.
Fordelene ved sonoelektrokemisk syntese af nanopartikler omfatter

• undgåelse af reduktionsmidler og overfladeaktive stoffer
• brug af vand som opløsningsmiddel
• justering af nanopartikelstørrelsen ved at variere parametre (ultralydseffekt, strømtæthed, aflejringspotentiale og pulstider for ultralyd i forhold til elektrokemiske pulstider)

Ashasssi-Sorkhabi og Bagheri (2014) syntetiserede polypyrrolfilm sonoelektrokemisk og sammenlignede resultaterne med elektrokemisk syntetiserede polypyrrolfilm. Resultaterne viser, at den galvanostatiske sonoelektroaflejring frembragte en stærkt vedhæftende og glat polypyrrolfilm (PPy) på stål ved en strømtæthed på 4 mA cm–2 i en opløsning af 0,1 M oxalsyre/0,1 M pyrrol. Ved hjælp af sonoelektrokemisk polymerisation opnåede de seje PPy-film med høj modstandsdygtighed og en glat overflade. Det er blevet vist, at PPy-belægninger fremstillet ved sonoelektrokemi giver betydelig korrosionsbeskyttelse til St-12-stål. Den syntetiserede belægning var ensartet og udviste høj korrosionsbestandighed. Alle disse resultater kan muligvis tilskrives, at ultralyden forbedrede masseoverførslen af reaktanterne og medførte høje kemiske reaktionshastigheder via akustisk kavitation og de deraf følgende høje temperaturer og tryk. Gyldigheden af impedansdataene for grænsefladen mellem St-12-stålet, de to PPy-belægninger og de korrosive medier blev kontrolleret ved hjælp af KK-transformationerne, og der blev observeret lave gennemsnitlige fejl.

Hass og Gedanken (2008) rapporterede om vellykket sonoelektrokemisk syntese af metalliske magnesiumnanopartikler. Effektiviteten i den sonoelektrokemiske proces med Gringard-reagenset i tetrahydrofuran (THF) eller i en dibutyldiglymopløsning var henholdsvis 41,35% og 33,08%. Tilsætning af AlCl3 til Gringard-opløsningen øgede effektiviteten markant til henholdsvis 82,70% og 51,69% i THF eller dibutyldiglym.

Sonoelektrokemisk brintproduktion

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

Ultralydsassisteret elektrokoagulation

Anvendelsen af lavfrekvent ultralyd i elektrokoagulationssystemer kaldes sonoelektrokoagulation. Undersøgelser viser, at sonikering påvirker elektrokoagulation positivt og f.eks. medfører en højere effektivitet ved fjernelse af jernhydroxider fra spildevand. Ultralydens positive indvirkning på elektrokoagulation forklares ved reduktionen af elektrodepassivering. Lavfrekvent ultralyd med høj intensitet nedbryder aflejrede lag af fast stof og fjerner dem effektivt, så elektroderne løbende holdes fuldt aktive. Desuden aktiverer ultralyd begge iontyper, dvs. kationer og anioner, som findes i elektrodernes reaktionszone. Ultralydsskabt omrøring medfører kraftige mikrobevægelser i opløsningen, som tilfører råmateriale til elektroderne og transporterer produkt væk fra dem.
Eksempler på vellykkede sonoelektrokoagulationsprocesser er reduktion af Cr(VI) til Cr(III) i farmaceutisk spildevand, fjernelse af totalfosfor fra spildevand fra den finkemiske industri med en fosforfjernelseseffektivitet på 99,5% inden for 10 min., fjernelse af farve og COD fra spildevand fra cellulose- og papirindustrien osv. De rapporterede fjernelseseffektiviteter 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)

Sonoelektrokemisk 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. Ultralydsgenereret kavitation medfører intens omrøring, mikroblanding, masseoverførsel og fjernelse af passiverende lag fra elektroderne. Disse kavitationsvirkninger medfører hovedsageligt en forbedring af masseoverførslen mellem fast stof og væske ved elektroderne og opløsningen. Sonokemiske virkninger påvirker molekyler direkte. Homolytisk spaltning af molekyler skaber meget reaktive oxidationsmidler. I vandige medier og ved tilstedeværelse af ilt dannes radikaler som HO•, HO2• og O•. •OH-radikaler er kendt for at være vigtige for effektiv nedbrydning af organiske materialer. Samlet set udviser sonoelektrokemisk nedbrydning høj effektivitet og er velegnet til behandling af store volumener af spildevandsstrømme og andre forurenede væsker.
For eksempel fandt Lllanos et al. (2016), at der blev opnået betydelige synergistiske virkninger ved vanddesinfektion, når det elektrokemiske system blev intensiveret ved sonikering (sonoelektrokemisk desinfektion). Denne stigning i desinfektionshastigheden viste sig at være forbundet med hæmning af E. coli-celleaggregater samt en øget produktion af desinficerende kemiske arter. Esclapez et al. (2010) viste, at da en særligt udformet sonoelektrokemisk reaktor (dog ikke optimeret) blev anvendt under opskaleringen af nedbrydning af trichloreddikesyre (TCAA), gav tilstedeværelsen af et ultralydsfelt genereret med UIP1000hd bedre resultater (omsætningsgrad 97%, nedbrydningseffektivitet 26%, selektivitet 0,92 og strømeffektivitet 8%) ved lavere ultralydsintensiteter og volumenstrøm. I betragtning af at den sonoelektrokemiske reaktor i førpilotskala endnu ikke var optimeret, er det meget sandsynligt, at disse resultater kan forbedres yderligere.

Ultralydsvoltammetri og elektroaflejring

Elektroaflejring blev udført galvanostatisk ved en strømtæthed på 15 mA/cm2. Opløsningerne blev sonikeret før elektroaflejring i 5–60 minutter. Et Hielscher UP200S ultralydsapparat med sonde blev anvendt med en cyklustid på 0,5. Sonikeringen blev udført ved at nedsænke ultralydssonden direkte i opløsningen. For at vurdere ultralydens indvirkning på opløsningen før elektroaflejring blev cyklisk voltammetri (CV) anvendt til at afdække opløsningens adfærd og gøre det muligt at forudsige ideelle betingelser for elektroaflejring. Det observeres, at når opløsningen sonikeres før elektroaflejring, begynder aflejringen ved mindre negative potentialværdier. Det betyder, at der ved samme strøm i opløsningen kræves et mindre potentiale, da de kemiske arter i opløsningen opfører sig mere aktivt end i opløsninger, der ikke er sonikeret. (jf. Yurdal & Karahan 2017)
Læs mere om sonoelektrokemisk aflejring af nanoforbedrede belægninger!

Højtydende elektrokemiske sonder og SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics er din partner med mange års erfaring inden for højtydende ultralydssystemer. Vi fremstiller og distribuerer topmoderne ultralydssonder og reaktorer, som anvendes verden over til krævende opgaver i udfordrende miljøer. Til sonoelektrokemi har Hielscher udviklet særlige ultralydssonder, som kan fungere som katode og/eller anode, samt ultralydsreaktorceller, der er egnede til elektrokemiske reaktioner. Ultralydselektroder og -celler fås til både galvaniske / voltaiske og elektrolytiske systemer.

Præcist regulerbare amplituder for optimale resultater

Alle ultralydsprocessorer fra Hielscher kan reguleres præcist og er dermed pålidelige arbejdsheste inden for forskning og udvikling samt produktion. Amplituden er en af de afgørende procesparametre, der påvirker effektiviteten og virkningen af sonokemisk og sonomekanisk inducerede reaktioner. Alle processorer fra Hielscher Ultrasonics giver mulighed for præcis indstilling af amplituden. De industrielle ultralydsprocessorer fra Hielscher kan levere meget høje amplituder og den nødvendige ultralydsintensitet til krævende sonoelektrokemiske anvendelser. Amplituder på op til 200µm kan uden besvær opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift.
Præcise amplitudeindstillinger og løbende overvågning af ultralydsprocesparametrene via intelligent software giver dig mulighed for at påvirke den sonoelektrokemiske reaktion præcist. Under hver sonikering registreres alle ultralydsparametre automatisk på et indbygget SD-kort, så hver kørsel kan evalueres og kontrolleres. Optimal sonikering til de mest effektive sonoelektrokemiske reaktioner!
Alt udstyr er konstrueret til 24/7/365-brug under fuld belastning, og dets robusthed og pålidelighed gør det til arbejdshesten i din elektrokemiske proces. Dette gør ultralydsudstyret fra Hielscher til et pålideligt arbejdsredskab, der opfylder kravene til din sonoelektrokemiske proces.

Højeste kvalitet – designet og fremstillet i Tyskland

Som en familieejet og familiedrevet virksomhed prioriterer Hielscher de højeste kvalitetsstandarder for sine ultralydsprocessorer. Alle ultralydsapparater designes, fremstilles og testes grundigt på vores hovedkontor i Teltow nær Berlin i Tyskland. Hielschers ultralydsudstyrs robusthed og pålidelighed 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 kravene til din elektrokemiske proces! Vi vil anbefale dig de bedst egnede ultralydselektroder og den bedst egnede reaktoropsætning!