Sono-Elektrokemi og dens fordele

Hvorfor anvende ultralyd til elektrokemi?

Kombinationen af lavfrekvente ultralydbølger med høj intensitet med elektrokemiske systemer leveres med mangfoldige fordele, som forbedrer effektiviteten og omregningshastigheden af elektrokemiske reaktioner.

Arbejdsprincippet i Ultralyd

Til højtydende ultralydsbehandling genereres højintensitets ultralyd med høj intensitet af en ultralydsgenerator og overføres via en ultralydssonde (sonotrode) til en væske. High-power ultralyd betragtes ultralyd i intervallet 16-30kHz. Ultralydsonden udvider sig og trækker sig sammen ved 20kHz og sender dermed henholdsvis 20.000 vibrationer i sekundet ind i mediet. Når ultralydbølgerne bevæger sig gennem væsken, skaber vekslende højtrykscyklusser /kompression) /low-pressure (rarefaction eller expansion) små vakuumbobler eller hulrum, som vokser over flere trykcyklusser. Under kompressionsfasen af væsken og boblerne er trykket positivt, mens rarefaction-fasen giver et vakuum (undertryk). Under kompressions-ekspansion cykler, hulrum i væsken vokse, 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 / ultralydkavitation. Akustisk kavitation er kendetegnet ved mangfoldige meget energiske effekter, som påvirker væsker, faste / flydende systemer samt gas / flydende systemer. Den energi-tætte zone eller kavitationsområde er kendt som såkaldt hot-spot zone, som er mest energi-tætte i nærheden af ultralyd sonden og falder med stigende afstand fra sonotrode. De vigtigste egenskaber ved ultralydkavitation omfatter lokalt forekommende meget høje temperaturer og tryk og respektive forskelle, turbulenser og flydende streaming. Under implosion af ultralyd hulrum i ultralyd hot-spots, temperaturer på op til 5000 Kelvin, tryk på op til 200 atmosfærer og flydende jetfly med op til 1000 km / t kan måles. Disse fremragende energi-intense forhold bidrager til sonomekanske og sonokemiske virkninger, der intensiverer elektrokemiske systemer på forskellige måder.

Virkningerne af ultralyd på elektrokemiske systemer

Anvendelse af ultralydbehandling på elektrokemiske reaktioner er kendt for forskellige virkninger på elektroderne, dvs. Ultralydkavitation og akustisk streaming genererer betydelig mikrobevægelse, hvilket indbæder væskestråler og omrøring ind i reaktionsvæsken. Dette resulterer i forbedret hydrodynamik og bevægelse af den flydende / faste blanding. Ultralydkavitation 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. Påvirkningen af ultralydsmogiation på koncentrationsgradienterne under reaktionen sikrer permanent fodring af frisk opløsning til elektroden og udstukker af det reagerede materiale. Det betyder sonikering forbedret den samlede kinetik accelererende reaktionshastighed og stigende reaktion udbytte.
Ved indførelsen af ultralydsenergi i systemet samt den sonokemiske dannelse af frie radikaler, elektrokemiske reaktion, som ellers ville have været elektroinaktiv, kan indledes. 
En anden vigtig effekt af akustisk vibration og streaming er rengøringseffekten på elektrodeoverfladerne. Passivering lag og begroning på elektroderne begrænse effektiviteten og reaktionshastigheden af elektrokemiske reaktioner. Ultralydbehandling holder elektroderne permanent rene og fuldt aktive til reaktion. Ultrasonication er kendt for sine afgasningseffekter, som også er gavnlige i elektrokemiske reaktioner. Fjernelse af uønskede gasser fra væsken, kan reaktionen køre mere effektiv.

Anvendelser af Sonoelectrochemistry

Sonoelektrokemi kan anvendes på forskellige processer og i forskellige brancher. Meget almindelige anvendelser af sonoelectrochemistry omfatter følgende:

• Nanopartikelsyntese (elektrosyntese)
• Brintsyntese
• Elektrokoagulation
• Spildevandsrensning
• Bryde emulsioner
• Galvanisering / Elektrodeposition

Sono-elektrokemisk syntese af nanopartikler

Ultralydbehandling blev anvendt til at syntetisere forskellige nanopartikler i et elektrokemisk system. Magnetit, cadmium-selen (CdSe) nanorør, platin nanopartikler (NPs), guld NPs, metallisk magnesium, bismuthene, nano-sølv, ultra-fine kobber, wolfram-kobolt (W-Co) legering nanopartikler, samaria / reduceret grafenoxid nanokomposit, sub-1nm poly (akrylsyre)-udjævnede kobber nanopartikler og mange andre nano-størrelse pulvere er blevet sucefully fremstillet ved hjælp af sonoelectrotmi.
Fordelene ved den sonelektrokemiske nanopartikel syntese omfatter

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

Ashasssi-Sorkhabi og Bagheri (2014) syntetiserede polypyrrole film sonoelektrochemically og sammenlignede resultaterne med elektrocheically syntetiseret polypyrrole film. Resultaterne viser, at den galvanostatic sonoelectrodeposition produceret en stærkt klæbende og glat polypyrrole (PPy) film på stål, med en aktuel tæthed på 4 mA cm-2 i 0,1 M oxalsyre/0,1 M pyrrole opløsning. Ved hjælp af sonoelektrokemisk polymerisering opnåede de høj modstand og hårde PPy-film med glat overflade. Det er blevet påvist, at PPy belægninger udarbejdet af sonoelectrochemistry 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 ultralyd forbedret masseoverførsel af reaktanter og forårsagede høje kemiske reaktionshastigheder via akustisk kavitation og de deraf følgende høje temperaturer og tryk. Gyldigheden af impedancedata for St-12-stål-/to PPy-belægninger/ætsende medier blev kontrolleret ved hjælp af KK-transformeerne, og der blev observeret fejl i det lave gennemsnit.

Hass og Gedanken (2008) rapporterede den vellykkede sonokemiske syntese af metallisk magnesium nanopartikler. Effektiviteten i den sonoelektrokemiske proces af Gringard reagens i tetrahydrofuran (THF) eller i en dibutyldiglyme opløsning var henholdsvis 41,35% og 33,08%. Tilføjelse AlCl3 til Gringard løsning øget effektiviteten dramatisk, hæve den til 82,70% og 51,69% i THF eller dibutyldiglyme, henholdsvis.

Sono-elektrokemisk brintproduktion

Ultralyd fremmes elektrolyse betydeligt øger brint udbytte fra vand eller alkaliske løsninger. Klik her for at læse mere om ultralyd accelereret elektrolytisk brintsyntese!

Ultralydassisteret elektrokoagulation

The application of low-frequency ultrasound to electrocoagulcation systems is known as sono-electrocoagulation. Studies show that sonication influences electrocoagulation positively resulting e.g., in higher removal efficiency of iron hydroxides from wastewater. The positive impact of ultrasonics on electrocoagulation is explained by the reduction of electrode passivation. Low-frequency, high-intensity ultrasound destructs deposited solid layer and removes them efficiently, thereby keeping the electrodes continuously fully active. Furthermore, ultrasonics activates both ion types, i.e. cations and anions, present in the electrodes reaction zone. Ultrasonic agitation results in high micro-movement of the solution feeding and carrying away raw material and product to and from the electrodes.
Eksempler på vellykkede sono-elektrokoagulationsprocesser er reduktionen 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 min., farve- og COD-fjernelse fra spildevand fra papirmasse- og papirindustrien osv. Rapporterede fjernelse effektivitetsgevinster for farve, COD, Cr (VI), Cu (II) og P var 100%, 95%, 100%, 97.3%, og 99.84%, hhv. (jf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-elektrokemisk nedbrydning af forurenende stoffer

Ultralyd fremmes elektrokemiske oxidation og / eller reduktion reaktioner anvendes som kraftfuld metode til at nedbryde kemiske forurenende stoffer. Sonomekaniske og sonokemiske mekanismer fremmer den elektrokemiske nedbrydning af forurenende stoffer. Ultralydgenereret kavitation resulterer i intens agitation, mikroblanding, masseoverførsel og fjernelse af passiveringslag fra elektroderne. Disse kavitationseffekter resulterer hovedsageligt i en forbedring af den faste væskemasseoverførsel mellem elektroderne og opløsningen. Sonokemiske virkninger påvirker molekyler direkte. Homolytisk kavalergang af molekyler skaber meget reaktive oxidanter. I vandige medier og i tilstedeværelse af ilt produceres radikale såsom HO•, HO2• og O•. •OH radikaler er kendt for at være vigtige for en effektiv nedbrydning af organiske materialer. Samlet set viser sonoelektromisk nedbrydning høj effektivitet og er velegnet til behandling af store mængder spildevandsstrømme og andre forurenede væsker.
For eksempel fandt Lllanos et al. (2016), at der blev opnået en signifikant synergistisk effekt for vanddesinfektion, da det elektrokemiske system blev intensiveret ved sonikering (sonoelektrokisk desinfektion). Denne stigning i desinfektionshastigheden viste sig at være relateret til undertrykkelsen E. coli celle aggolomerater samt en forbedret produktion af desinfektionsarter. 
Esclapez et al. (2010) viste, at en specielt designet sonoelektrokemisk reaktor (dog ikke optimeret) blev anvendt under opskaleringen af nedbrydningen af trichloreddikesyre (TCAA), tilstedeværelsen af ultralydsfelt genereret med UIP1000hd gav bedre resultater (fraktioneret konvertering 97%, nedbrydningseffektivitet 26%, selektivitet 0,92 og nuværende effektivitet 8%) ved lavere ultralydintensiteter og volumetrisk flow. I betragtning af, at den præ-pilot sonoelektrokemiske reaktor endnu ikke var optimeret, er det meget sandsynligt, at disse resultater kan forbedres yderligere.

Ultralydvoltammetri og elektrodeposition

Elektrodepositionen blev udført galvanostatisk ved den nuværende tæthed på 15 mA/cm2. Opløsninger blev udsat for ultralydbehandling før elektrodeposition i 5-60 minutter. En Hielscher UP200S sonde-type ultralydssensor blev anvendt ved en cyklustid på 0,5. Ultralydbehandling blev opnået ved direkte at dyppe ultralydsonden i opløsningen. For at vurdere ultralydspåvirkningen af opløsningen før elektrodeposition blev der anvendt cyklisk voltammetri (CV) for at afsløre løsningsadfærd og gør det muligt at forudsige ideelle betingelser for elektrodeposition. Det bemærkes, at når opløsningen udsættes for ultralydbehandling før elektrodeposition, begynder aflejring ved mindre negative potentielle værdier. Det betyder, at der ved samme strøm i opløsningen kræves mindre potentiale, da arten i opløsningen opfører sig mere aktivt end i ikke-ultralydede. (jf. & Karahan 2017)

Højtydende elektrokemiske sonder og SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics er din mangeårige erfarne partner til højtydende ultralydssystemer. Vi fremstiller og distribuerer topmoderne ultralydssonder og reaktorer, som bruges over hele verden til krævende anvendelser i krævende miljøer. For sonoelektrokemi har Hielscher udviklet specielle ultralydssonder, der kan fungere som katode og/eller anode, samt ultralydreaktorceller, der er egnede til elektrokemiske reaktioner. Ultralydelektroder 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 af sonokemiske og sonomekanisk inducerede reaktioner. Alle Hielscher Ultralyd’ processorer giver mulighed for den præcise indstilling af amplituden. Hielschers industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder og levere den nødvendige ultralydsintensitet til krævende sonoelektrokiniske 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 sonelektrokemiske reaktion præcist. Under hver sonikeringskørsel registreres alle ultralydsparametre automatisk på et indbygget SD-kort, så hvert løb kan evalueres og styres. Optimal sonikering for de mest effektive sonoelektrokemiske reaktioner!
Alt udstyr er bygget til 24/7/365 brug under fuld belastning og dens robusthed og pålidelighed gør det til arbejdshesten i din elektrokemiske proces. Dette gør Hielschers ultralydsudstyr til et pålideligt arbejdsværktøj, 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 ultralydsenheder er designet, fremstillet og grundigt testet i vores hovedkvarter i Teltow nær Berlin, Tyskland. Robusthed og pålidelighed af Hielschers ultralydsudstyr gør det til en arbejdshest i din produktion. 24/7 drift under fuld belastning og i krævende miljøer er et naturligt kendetegn ved Hielschers højtydende ultralydssonder og reaktorer.

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