Elektro-Sonikation – Ultraschallelektroden

Elektro-Sonikation kombiniert die Wirkungen von Elektrizität mit denen der Ultraschallbehandlung. Hielscher Ultrasonics hat eine neue und elegante Methode entwickelt, mit der sich jede Sonotrode als Elektrode einsetzen lässt. Dadurch wirkt die Ultraschallleistung direkt an der Grenzfläche zwischen Ultraschallelektrode und Flüssigkeit. Dort kann sie die Elektrolyse fördern, den Stofftransport verbessern und Grenzschichten oder Ablagerungen aufbrechen. Hielscher liefert produktionstaugliche Anlagen für Elektro-Sonikationsprozesse im Batch- und Inline-Betrieb in jedem Maßstab. Sie können Elektro-Sonikation mit Mano-Sonikation (Druck) und Thermo-Sonikation (Temperatur) kombinieren.

Anwendungen von Ultraschallelektroden

Der Einsatz von Ultraschall an Elektroden ist eine neuartige Technologie mit Vorteilen für zahlreiche unterschiedliche Prozesse in der Elektrolyse, Galvanisierung, elektrochemischen Reinigung, Wasserstofferzeugung und Elektrokoagulation, der Partikelsynthese sowie für andere elektrochemische Reaktionen. Hielscher Ultrasonics bietet unmittelbar verfügbare Ultraschallelektroden für Forschung und Entwicklung im Labormaßstab oder für die Elektrolyse im Pilotmaßstab. Nachdem Sie Ihren Elektrolyseprozess getestet und optimiert haben, können Sie mit Ultraschallanlagen von Hielscher Ultrasonics im Produktionsmaßstab Ihre Prozessergebnisse auf die industrielle Produktion übertragen. Im Folgenden finden Sie Vorschläge und Empfehlungen für den Einsatz von Ultraschallelektroden.

Sonoelektrolyse (Ultraschallelektrolyse)

Elektrolyse ist die Umwandlung zwischen Atomen und Ionen durch die Abgabe oder Aufnahme von Elektronen infolge eines angelegten elektrischen Stroms. Die Elektrolyseprodukte können einen anderen Aggregatzustand als der Elektrolyt aufweisen. Durch Elektrolyse können Feststoffe entstehen, beispielsweise Niederschläge oder feste Schichten an einer der Elektroden. Alternativ können bei der Elektrolyse Gase wie Wasserstoff, Chlor oder Sauerstoff entstehen. Die Ultraschallschwingungen einer Elektrode können feste Ablagerungen von der Elektrodenoberfläche ablösen. Die Ultraschallentgasung erzeugt aus gelösten Gasen von Mikroblasen schnell größere Gasblasen. Dadurch werden die gasförmigen Produkte schneller vom Elektrolyten getrennt.

Ultraschallgerät UIP2000hdT (2000 Watt, 20kHz) als Kathode und/oder Anode in einer Elektrolysezelle

Durch Ultraschall verbesserter Stofftransport an der Elektrodenoberfläche

Während der Elektrolyse sammeln sich die Produkte in der Nähe der Elektroden oder auf der Elektrodenoberfläche an. Ultraschallschwingungen sind ein sehr wirksames Mittel, um den Stofftransport an Grenzschichten zu erhöhen. Dieser Effekt bringt frischen Elektrolyten mit der Elektrodenoberfläche in Kontakt. Die durch Kavitation erzeugte Strömung transportiert Elektrolyseprodukte wie Gase oder Feststoffe von der Elektrodenoberfläche weg. Dadurch wird die hemmende Bildung isolierender Schichten verhindert.

Auswirkungen von Ultraschall auf das Zersetzungspotenzial

Ultraschallschwingungen der Anode, der Kathode oder beider Elektroden können das Zersetzungspotenzial beziehungsweise die Zersetzungsspannung beeinflussen. Es ist bekannt, dass bereits Kavitation allein Moleküle spalten sowie freie Radikale oder Ozon erzeugen kann. Die Kombination von Kavitation und Elektrolyse bei einer ultraschallunterstützten Elektrolyse kann die zwischen Anode und Kathode einer Elektrolysezelle mindestens erforderliche Spannung beeinflussen, bei der die Elektrolyse einsetzt. Die mechanischen und sonochemischen Effekte der Kavitation können auch die Energieeffizienz der Elektrolyse verbessern.

Ultraschall bei der elektrolytischen Raffination und Gewinnung

Bei der elektrolytischen Raffination können feste Ablagerungen von Metallen wie Kupfer in eine Suspension fester Partikel im Elektrolyten überführt werden. Bei der elektrolytischen Gewinnung, auch Elektroextraktion genannt, kann die elektrolytische Abscheidung von Metallen aus ihren Erzen in einen festen Niederschlag umgewandelt werden. Häufig elektrolytisch gewonnene Metalle sind Blei, Kupfer, Gold, Silber, Zink, Aluminium, Chrom, Kobalt, Mangan sowie die Seltenerd- und Alkalimetalle.
Die Ultraschallbehandlung ist auch ein wirksames Mittel zur Laugung von Erzen.

Sonoelektrolytische Reinigung von Flüssigkeiten

Reinigen Sie eine Flüssigkeit, z. B. eine wässrige Lösung wie Abwasser, Schlamm oder Ähnliches, indem Sie die Lösung durch das elektrische Feld zweier Elektroden leiten! Elektrolyse kann wässrige Lösungen desinfizieren oder reinigen. Wird eine NaCI-Lösung zusammen mit Wasser durch Elektroden oder über Elektroden geleitet, entsteht Cl2 oder CIO2, das Verunreinigungen oxidieren und das Wasser beziehungsweise die wässrigen Lösungen desinfizieren kann. Enthält das Wasser ausreichend natürliche Chloride, ist keine Zugabe erforderlich.
Ultraschallschwingungen der Elektrode können die Grenzschicht zwischen Elektrode und Wasser so dünn wie möglich machen. Dadurch kann sich der Stofftransport um viele Größenordnungen verbessern. Ultraschallschwingungen und Kavitation verringern die durch Polarisation verursachte Bildung mikroskopischer Blasen erheblich. Der Einsatz von Ultraschallelektroden bei der Elektrolyse verbessert den elektrolytischen Reinigungsprozess beträchtlich.

Sonoelektrokoagulation (Ultraschallelektrokoagulation)

Elektrokoagulation ist ein Verfahren zur Abwasserbehandlung, mit dem Verunreinigungen wie emulgiertes Öl, Gesamterdölkohlenwasserstoffe, schwer abbaubare organische Stoffe, Schwebstoffe und Schwermetalle entfernt werden. Auch radioaktive Ionen lassen sich zur Wasserreinigung entfernen. Die Ergänzung der Elektrokoagulation durch Ultraschallbehandlung, auch Sonoelektrokoagulation genannt, wirkt sich positiv auf den chemischen Sauerstoffbedarf oder die Effizienz der Trübungsentfernung aus. Kombinierte Behandlungsverfahren mit Elektrokoagulation haben bei der Entfernung von Schadstoffen aus Industrieabwässern eine deutlich verbesserte Leistung gezeigt. Die Integration eines Schrittes, der freie Radikale erzeugt, wie der Ultraschallkavitation, in die Elektrokoagulation zeigt Synergieeffekte und Verbesserungen im gesamten Reinigungsprozess. Ziel des Einsatzes dieser Ultraschall-Elektrolyse-Hybridsysteme ist es, die Gesamteffizienz der Behandlung zu steigern und die Nachteile herkömmlicher Behandlungsverfahren zu beseitigen. Es wurde nachgewiesen, dass hybride Ultraschall-Elektrokoagulationsreaktoren Escherichia coli in Wasser inaktivieren.

Ultraschallgerät UIP2000hdT (2000 Watt, 20kHz) als Sono-Kathode und/oder Sono-Anode in einem Tank

Sonoelektrolytische In-situ-Erzeugung von Reagenzien oder Reaktanten

Viele chemische Prozesse, beispielsweise heterogene Reaktionen oder die Katalyse, profitieren von Ultraschallschwingungen und Ultraschallkavitation. Der sonochemische Einfluss kann die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen oder die Umsetzungsausbeuten verbessern.
Durch Ultraschall angeregte Elektroden bieten ein neues, leistungsfähiges Werkzeug für chemische Reaktionen. Damit können Sie die Vorteile der Sonochemie mit denen der Elektrolyse kombinieren. Erzeugen Sie Wasserstoff, Hydroxidionen, Hypochlorit und viele weitere Ionen oder neutrale Stoffe direkt im Ultraschallkavitationsfeld. Die Elektrolyseprodukte können als Reagenzien oder Reaktanten für die chemische Reaktion dienen.

Kombination von Ultraschall mit einem gepulsten elektrischen Feld

Die Kombination aus gepulstem elektrischem Feld (PEF) und Ultraschall (US) wirkt sich positiv auf die Extraktion physikochemischer, bioaktiver Verbindungen und auf die chemische Struktur der Extrakte aus. Bei der Extraktion aus Mandeln führte die kombinierte Behandlung (PEF–US) zu den höchsten Gehalten an Gesamtphenolen, Gesamtflavonoiden, kondensierten Tanninen und Anthocyanen sowie zur höchsten antioxidativen Aktivität. Sie verringerte die Leistung und die metallchelatisierende Aktivität.
Ultraschall (US) und gepulste elektrische Felder (PEF) können eingesetzt werden, um durch Verbesserung des Stofftransports und der Zellpermeabilität die Prozesseffizienz und die Produktionsraten bei Fermentationsprozessen zu steigern.
Die Kombination aus gepulstem elektrischem Feld und Ultraschallbehandlung beeinflusst die Lufttrocknungskinetik und die Qualität getrockneter Gemüsearten wie Karotten. Die Trocknungszeit kann um 20 bis 40% verkürzt werden, wobei die Rehydrationseigenschaften erhalten bleiben.

Sonoelektrochemie / Ultraschallelektrochemie

Ergänzen Sie Ihren Prozess um eine ultraschallunterstützte Elektrolyse, um Reaktanten zu erzeugen oder Produkte chemischer Reaktionen zu verbrauchen und dadurch das endgültige Gleichgewicht der chemischen Reaktion zu verschieben oder den Reaktionsweg zu verändern.

Empfohlener Aufbau mit Ultraschallelektroden

Die innovative Konstruktion für Sonotroden-Ultraschallgeräte macht aus einer Standard-Ultraschallsonotrode eine mit Ultraschall schwingende Elektrode. Dadurch wird Ultraschall für Elektroden leichter zugänglich, einfacher integrierbar und problemlos auf den Produktionsmaßstab skalierbar. Andere Konstruktionen regten lediglich den Elektrolyten zwischen zwei nicht schwingenden Elektroden an. Abschattung und die Ausbreitungsmuster der Ultraschallwellen führen im Vergleich zur direkten Anregung der Elektroden zu schlechteren Ergebnissen. Sie können sowohl Anoden als auch Kathoden mit Ultraschallschwingungen beaufschlagen. Selbstverständlich können Sie die Spannung und die Polarität der Elektroden jederzeit ändern. Elektroden von Hielscher Ultrasonics lassen sich einfach in bestehende Anlagen nachrüsten.

Abgedichtete Sonoelektrolysezelle und elektrochemische Reaktoren

Eine druckdichte Abdichtung zwischen Ultraschallsonotrode (Elektrode) und Reaktorbehälter ist verfügbar. Dadurch können Sie die Elektrolysezelle bei einem vom Umgebungsdruck abweichenden Druck betreiben. Die Kombination von Ultraschall und Druck wird als Mano-Sonikation bezeichnet. Dies kann interessant sein, wenn bei der Elektrolyse Gase entstehen, wenn Sie bei höheren Temperaturen arbeiten oder flüchtige Flüssigkeitskomponenten verwenden. Ein dicht verschlossener elektrochemischer Reaktor kann bei Drücken oberhalb oder unterhalb des Umgebungsdrucks betrieben werden. Die Abdichtung zwischen Ultraschallelektrode und Reaktor kann elektrisch leitend oder isolierend ausgeführt werden. Letzteres ermöglicht es, die Reaktorwände als zweite Elektrode zu verwenden. Selbstverständlich kann der Reaktor mit Einlass- und Auslassanschlüssen ausgestattet werden, um als Durchflusszellenreaktor für kontinuierliche Prozesse zu dienen. Hielscher Ultrasonics bietet eine Vielzahl standardisierter Reaktoren und Durchflusszellen mit Temperiermantel. Alternativ können Sie aus verschiedenen Adaptern wählen, um Sonotroden von Hielscher an Ihren elektrochemischen Reaktor anzupassen.

Konzentrische Anordnung im Rohrreaktor

Befindet sich die durch Ultraschall angeregte Elektrode in der Nähe einer zweiten, nicht angeregten Elektrode oder einer Reaktorwand, breiten sich die Ultraschallwellen durch die Flüssigkeit aus und wirken auch auf die anderen Oberflächen. Eine durch Ultraschall angeregte Elektrode, die konzentrisch in einem Rohr oder Reaktor angeordnet ist, kann die Innenwände frei von Belägen oder angesammelten Feststoffen halten.

Temperatur

Bei Verwendung von Standardsonotroden von Hielscher als Elektroden kann die Elektrolyttemperatur zwischen 0 und 80 Grad Celsius liegen. Sonotroden für andere Elektrolyttemperaturen im Bereich von -273 Grad Celsius bis 500 Grad Celsius sind auf Anfrage erhältlich. Die Kombination von Ultraschall und Temperatur wird als Thermo-Sonikation bezeichnet.

Viskosität

Wenn die Viskosität des Elektrolyten den Stofftransport hemmt, kann eine Durchmischung durch Ultraschallschwingungen während der Elektrolyse vorteilhaft sein, da sie den Stofftransport zu den Elektroden und von ihnen weg verbessert.

Sonoelektrolyse mit pulsierendem Strom

Pulsierender Strom an den durch Ultraschall angeregten Elektroden führt zu anderen Produkten als Gleichstrom (DC). Beispielsweise kann pulsierender Strom bei der Elektrolyse einer wässrigen sauren Lösung, e. g. verdünnter Schwefelsäure, das Verhältnis von Ozon zu Sauerstoff erhöhen, die an der Anode entstehen. Bei der Elektrolyse von Ethanol mit gepulstem Strom entsteht ein Aldehyd statt hauptsächlich einer Säure.

Anlagen für die Elektro-Sonikation

Hielscher Ultrasonics hat eine spezielle sonoelektrochemische Erweiterung für die industriellen Ultraschallwandler entwickelt. Der entsprechend ausgerüstete Ultraschallwandler arbeitet mit nahezu allen Sonotrodentypen von Hielscher.

Ultraschallelektroden (Sonotroden)

Die Sonotroden sind elektrisch vom Ultraschallgenerator isoliert. Daher können Sie an die Ultraschallsonotrode eine elektrische Spannung anlegen, sodass sie als Elektrode wirken kann. Der standardmäßige elektrische Isolationsabstand zwischen den Sonotroden und dem Erdungskontakt beträgt 2,5 mm. Daher können Sie bis zu 2500 Volt an die Sonotrode anlegen. Standardsonotroden sind massiv und bestehen aus Titan. Daher gibt es nahezu keine Begrenzung des Elektrodenstroms. Titan weist gegenüber vielen alkalischen oder sauren Elektrolyten eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Alternative Sonotrodenmaterialien wie Aluminium (Al), Stahl (Fe), Edelstahl, Nickel-Chrom-Molybdän oder Niob sind möglich. Hielscher bietet kostengünstige Opferanoden-Sonotroden an, z. B. aus Aluminium oder Stahl.

Ultraschallgenerator, Stromversorgung

Der Ultraschallgenerator muss nicht verändert werden und wird an einer normalen Steckdose mit Schutzkontakt betrieben. Das Wandlerhorn und sämtliche Außenflächen des Ultraschallwandlers und des Generators sind selbstverständlich mit dem Schutzleiter der Steckdose verbunden. Die Sonotrode und ein Verspannungselement sind die einzigen Teile, an denen die Elektrodenspannung anliegt. Dies erleichtert die Konstruktion des Aufbaus. Sie können die Sonotrode mit Gleichstrom (DC), pulsierendem Gleichstrom oder Wechselstrom (AC) betreiben. Ultraschallelektroden können jeweils als Anoden oder Kathoden eingesetzt werden.

Produktionsanlagen für Elektro-Sonikationsprozesse

Sie können jedes Ultraschallgerät von Hielscher, beispielsweise UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT oder UIP4000hdT, verwenden, um bis zu 4000 Watt Ultraschallleistung in eine beliebige Standardsonotrode oder Kaskatrode einzukoppeln. Die Ultraschallintensität an der Sonotrodenoberfläche kann zwischen 1 Watt und 100 Watt pro Quadratzentimeter liegen. Verschiedene Sonotrodengeometrien mit Amplituden von 1 Mikrometer bis 150 Mikrometer (Spitze-Spitze) sind erhältlich. Die Ultraschallfrequenz von 20kHz ist sehr wirksam bei der Erzeugung von Kavitation und akustischer Strömung im Elektrolyten. Ultraschallgeräte von Hielscher können 24 Stunden pro Tag an sieben Tagen pro Woche betrieben werden. Sie können kontinuierlich mit voller Ausgangsleistung oder gepulst arbeiten, e. g. zur regelmäßigen Reinigung der Elektroden. Hielscher Ultrasonics kann Ultraschallelektroden mit bis zu 16 Kilowatt Ultraschallleistung (mechanische Anregung) pro einzelner Elektrode liefern. Die elektrische Leistung, die Sie an die Elektroden anlegen können, ist nahezu unbegrenzt.

Noch eine Anwendung: Sonoelektrostatisches Sprühen

Hielscher Ultrasonics stellt Geräte zum Sprühen, Vernebeln, Zerstäuben oder Aerosolisieren von Flüssigkeiten her. Die Ultraschall-Sprühsonotrode kann dem Flüssigkeitsnebel oder den Aerosolen eine positive Ladung verleihen. Dadurch wird das Ultraschallsprühen mit der elektrostatischen Sprühtechnik kombiniert, z. B. für Beschichtungsprozesse.

Literatur / Quellen

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