Hielscher Ultraschalltechnik

Elektro-Sonifikation – Ultraschall-Elektroden

Elektro-Sonikation ist die Kombination der Wirkungen von Elektrizität mit den Wirkungen der Sonikation. Hielscher Ultrasonics hat eine neue und elegante Methode entwickelt, um jede beliebige Sonotrode als Elektrode zu verwenden. Dadurch wird die Leistung des Ultraschalls direkt an die Grenzfläche zwischen Ultraschallelektrode und Flüssigkeit gebracht. Dort kann sie die Elektrolyse fördern, den Stoffaustausch verbessern und Grenzschichten oder Ablagerungen aufbrechen. Hielscher liefert produktionstaugliche Geräte für Elektrosonikationsprozesse in Batch- und Inline-Prozessen in jedem Maßstab. Sie können die Elektrobeschallung mit der Mano- (Druck) und Thermobeschallung (Temperatur) kombinieren.

Ultraschall-Elektroden-Anwendungen

Die Anwendung von Ultraschall an Elektroden ist eine neuartige Technologie mit Vorteilen für viele verschiedene Prozesse in der Elektrolyse, Galvanisierung, Elektroreinigung, Wasserstofferzeugung und Elektrokoagulation, Partikelsynthese oder anderen elektrochemischen Reaktionen. Hielscher Ultrasonics verfügt über Ultraschallelektroden, die für Forschung und Entwicklung im Labor- oder Pilotmaßstab für die Elektrolyse zur Verfügung stehen. Nachdem Sie Ihren elektrolytischen Prozess getestet und optimiert haben, können Sie die Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics in Produktionsgröße einsetzen, um Ihre Prozessergebnisse auf das Niveau der industriellen Produktion zu bringen. Nachfolgend finden Sie Vorschläge und Empfehlungen für den Einsatz von Ultraschallelektroden.

Ultrasonic generator and transducer with electrically isolated ultrasonic probe as sono-electrode

Ultraschall-Elektrode (Kathode) für die Anwendung in der Sono-Elektrochemie

Sono-Elektrolyse (Ultraschall-Elektrolyse)

Elektrolyse ist der Austausch von Atomen und Ionen durch die Entfernung oder Hinzufügung von Elektronen, die aus der Anwendung eines elektrischen Stroms resultieren. Die Produkte der Elektrolyse können einen anderen physikalischen Zustand haben als der Elektrolyt. Bei der Elektrolyse können Feststoffe wie z.B. Niederschläge oder feste Schichten auf einer der Elektroden entstehen. Alternativ kann die Elektrolyse Gase wie z. B. Wasserstoff, Chlor oder Sauerstoff erzeugen. Die Ultraschallbewegung einer Elektrode kann Feststoffablagerungen von der Elektrodenoberfläche abbrechen. Die Ultraschallentgasung erzeugt schnell größere Gasblasen aus gelösten Gasen oder Mikroblasen. Dies führt zu einer schnelleren Trennung der gasförmigen Produkte vom Elektrolyten.

ultrasonic electrodes for sono-electrolytic applications

Ultraschall UIP2000hdT (2000 Watt, 20kHz) als Kathode und/oder Anode in einer elektrolytischen Zelle

Ultraschallverbesserter Massentransfer an der Elektrodenoberfläche

Während des Elektrolyseprozesses sammeln sich die Produkte in der Nähe der Elektroden oder auf der Elektrodenoberfläche an. Ultraschallkavitation ist ein sehr wirksames Mittel, um den Massentransfer an Grenzschichten zu erhöhen. Dieser Effekt bringt frischen Elektrolyt in Kontakt mit der Elektrodenoberfläche. Die Kavitationsströmung transportiert Produkte der Elektrolyse, wie Gase oder Feststoffe, von der Elektrodenoberfläche weg. Die hemmende Bildung von Isolationsschichten wird dadurch verhindert.

Auswirkungen von Ultraschall auf das Zersetzungspotenzial

Eine Ultraschall-Bewegung der Anode, der Kathode oder beider Elektroden kann das Zersetzungspotential oder die Zersetzungsspannung beeinflussen. Es ist bekannt, dass allein die Kavitation Moleküle bricht, freie Radikale oder Ozon erzeugt. Die Kombination von Kavitation mit Elektrolyse in einer ultraschallverstärkten Elektrolyse kann die für die Elektrolyse erforderliche Mindestspannung zwischen Anode und Kathode einer Elektrolysezelle beeinflussen. Die mechanischen und sonochemischen Effekte der Kavitation können ebenfalls die Energieeffizienz der Elektrolyse verbessern.

Ultraschall in der Elektroveredelung und Elektrogewinnung

Bei der Elektroraffination können feste Abscheidungen von Metallen, wie z.B. Kupfer, im Elektrolyten in eine Suspension von Feststoffpartikeln umgewandelt werden. Bei der Elektrogewinnung, auch Elektroextraktion genannt, kann die elektrolytische Abscheidung von Metallen aus ihren Erzen in einen festen Niederschlag umgewandelt werden. Gängige Elektrolytmetalle sind Blei, Kupfer, Gold, Silber, Zink, Aluminium, Chrom, Kobalt, Mangan sowie die Seltenerd- und Alkalimetalle. Ultraschall ist auch bei der Auslaugung von Erzen ein wirksames Mittel.

Sono-Elektrolytische Reinigung von Flüssigkeiten

Reinigen Sie eine Flüssigkeit, z.B. eine wässrige Lösung wie Abwasser, Schlamm o. ä., indem Sie die Lösung durch das elektrische Feld von zwei Elektroden führen! Durch Elektrolyse können wässrige Lösungen desinfiziert oder gereinigt werden. Wird eine NaCI-Lösung zusammen mit Wasser durch Elektroden oder über Elektroden geleitet, entsteht Cl2 oder CIO2, das Verunreinigungen oxidieren und das Wasser oder die wässrigen Lösungen desinfizieren kann. Wenn das Wasser ausreichend natürliche Chloride enthält, ist die Zugabe nicht erforderlich.
Ultraschallschwingungen der Elektrode können die Grenzschicht zwischen der Elektrode und dem Wasser so dünn wie möglich machen. Dadurch kann der Stofftransport um viele Größenordnungen verbessert werden. Durch die Ultraschallschwingung und Kavitation wird die Bildung von mikroskopisch kleinen Blasen aufgrund der Polarisation deutlich reduziert. Die Verwendung von Ultraschallelektroden für die Elektrolyse verbessert den elektrolytischen Reinigungsprozess erheblich.

Sono-Elektrokoagulation (Ultraschall-Elektrokoagulation)

Elektrokoagulation ist eine Abwasserbehandlungsmethode zur Entfernung von Verunreinigungen wie emulgiertem Öl, Gesamterdölkohlenwasserstoffen, feuerfesten organischen Stoffen, suspendierten Feststoffen und Schwermetallen. Auch radioaktive Ionen können zur Wasserreinigung entfernt werden. Der Einsatz von Ultraschall-Elektrokoagulation, auch als Sono-Elektrokoagulation bekannt, hat einen positiven Einfluss auf den chemischen Sauerstoffbedarf oder die Effizienz der Trübungsentfernung. Die kombinierten Elektrokoagulations-Behandlungsverfahren haben eine stark verbesserte Leistung bei der Entfernung von Schadstoffen aus Industrieabwässern gezeigt. Die Integration eines freie Radikale erzeugenden Schritts, wie z.B. der Ultraschallkavitation mit der Elektrokoagulation, zeigt Synergieeffekte und Verbesserungen im gesamten Reinigungsprozess. Der Zweck des Einsatzes dieser Ultraschall-Elektrolyt-Hybridsysteme besteht darin, die Gesamtbehandlungseffizienz zu erhöhen und die Nachteile herkömmlicher Behandlungsverfahren zu beseitigen. Es wurde nachgewiesen, dass hybride Ultraschall-Elektrokoagulationsreaktoren Escherichia coli in Wasser inaktivieren.

Ultrasonic UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) as Cathode and/or Anode in a sonoelectrochemical tank

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

Sono-elektrolytische In-Situ-Erzeugung von Reagenzien oder Reaktanten

Viele chemische Prozesse, wie z.B. heterogene Reaktionen oder Katalyse, profitieren von der Ultraschall-Agitation und der Ultraschall-Kavitation. Der sono-chemische Einfluss kann die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen oder die Umwandlungsausbeute verbessern.
Ultraschallangeregte Elektroden fügen chemischen Reaktionen ein neues leistungsfähiges Instrument hinzu. Jetzt können Sie die Vorteile der Sonochemie mit der Elektrolyse kombinieren. Erzeugen Sie Wasserstoff, Hydroxid-Ionen, Hypochlorit und viele andere Ionen oder neutrale Materialien direkt im Ultraschall-Kavitationsfeld. Die Produkte der Elektrolyse können als Reagenzien oder als Reaktionspartner der chemischen Reaktion dienen.

Reagenzien werden hinzugefügt, um eine chemische Reaktion oder einen Test zu bewirken, falls eine solche stattgefunden hat. Reagenzien werden nicht unbedingt durch eine chemische Reaktion verbraucht.
Reaktanten sind Einsatzstoffe, die an einer chemischen Reaktion teilnehmen. Reaktanten werden verbraucht, um Produkte der chemischen Reaktion herzustellen.

Kombination von Ultraschall mit gepulstem elektrischen Feld

Die Kombination von gepulstem elektrischen Feld (PEF) und Ultraschall (US) hat positive Auswirkungen auf die Extraktion physikalisch-chemischer, bioaktiver Verbindungen und die chemische Struktur von Extrakten. Bei der Extraktion von Mandeln hat die kombinierte Behandlung (PEF-US) die höchsten Gehalte an Gesamtphenolen, Gesamtflavonoiden, kondensierten Tanninen, Anthocyan-Gehalten und antioxidativer Aktivität hervorgebracht. Sie reduzierte die Energie- und Metallchelatisierungsaktivität.
Ultraschall (US) und gepulstes elektrisches Feld (PEF) können eingesetzt werden, um die Prozesseffizienz und die Produktionsraten in Fermentationsprozessen durch Verbesserung des Stofftransports und der Zellpermeabilität zu erhöhen.
Die Kombination von gepulstem elektrischem Feld und Ultraschallbehandlung wirkt sich auf die Kinetik der Lufttrocknung und die Qualität von getrocknetem Gemüse, wie z.B. Möhren, aus. Die Trocknungszeit kann um 20 bis 40% reduziert werden, wobei die Rehydratationseigenschaften erhalten bleiben.

Sono-Elektrochemie/Ultraschall-Elektrochemie

Nutzen Sie eine ultraschallverstärkte Elektrolyse, um Reaktanten zu erzeugen oder Produkte chemischer Reaktionen zu verbrauchen, um das Endgleichgewicht der chemischen Reaktion zu verschieben oder den chemischen Reaktionsweg zu verändern.

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Vorgeschlagener Aufbau von Ultraschall-Elektroden

Das innovative Isolatordesign für Stab-Ultraschallgeräte verwandelt eine Standard-Ultraschallsonotrode in eine Ultraschall-Schwingungselektrode. Dadurch wird der Ultraschall für Elektroden leichter zugänglich, einfacher zu integrieren und leicht auf die Produktionsebene skalierbar. Andere Designs bewegen den Elektrolyt nur zwischen zwei nicht bewegten Elektroden. Abschattung und Ausbreitungsmuster der Ultraschallwellen führen im Vergleich zur direkten Elektrodenbewegung zu schlechteren Ergebnissen. Sie können Anoden und/oder Kathoden mit Ultraschallschwingungen beaufschlagen. Natürlich können Sie die Spannung und die Polarität der Elektroden jederzeit ändern. Hielscher-Ultraschallelektroden lassen sich leicht in bestehende Aufbauten nachrüsten.

Geschlossene Sono-Elektrolysezelle und elektrochemische Reaktoren

Eine druckdichte Abdichtung zwischen Ultraschall-Sonotrode (Elektrode) und einem Reaktorbehälter ist verfügbar. Dadurch können Sie die Elektrolysezelle bei einem anderem Druck als dem Umgebungsdruck betreiben. Die Kombination von Ultraschall und Druck wird Mano-Sonisation genannt. Dies kann von Interesse sein, wenn z. B. bei der Elektrolyse Gase entstehen, wenn bei höheren Temperaturen gearbeitet wird oder wenn mit flüchtigen flüssigen Komponenten gearbeitet wird. Ein dicht verschlossener elektrochemischer Reaktor kann bei Drücken oberhalb oder unterhalb des Umgebungsdrucks arbeiten. Die Abdichtung zwischen der Ultraschallelektrode und dem Reaktor kann elektrisch leitend oder isolierend ausgeführt werden. Letzteres erlaubt es, die Reaktorwände als zweite Elektrode zu betreiben. Natürlich kann der Reaktor Einlass- und Auslassöffnungen haben, um als Durchflusszellenreaktor für kontinuierliche Prozesse zu fungieren. Hielscher Ultrasonics bietet eine Vielzahl von standardisierten Reaktoren und ummantelten Durchflusszellen an. Alternativ können Sie aus einer Reihe von Adaptern wählen, um Hielscher-Sonotroden an Ihren elektrochemischen Reaktor anzupassen.

Konzentrische Anordnung in einem Rohrreaktor

Wenn sich die Ultraschall-Elektrode in der Nähe einer zweiten, passiven Elektrode oder in der Nähe einer Reaktorwand befindet, breiten sich die Ultraschallwellen durch die Flüssigkeit aus und die Ultraschallwellen wirken auch auf die anderen Oberflächen. Eine Ultraschall-Elektrode, die konzentrisch in einem Rohr oder in einem Reaktor ausgerichtet ist, kann die Innenwände frei von Verschmutzungen oder von angesammelten Feststoffen halten.

Temperatur

Bei Verwendung von Hielscher-Standardsonotroden 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 Thermosonisation bezeichnet.

Viskosität

Wenn die Viskosität des Elektrolyten den Massentransfer hemmt, könnte das Mischen durch Ultraschallrühren während der Elektrolyse vorteilhaft sein, da es den Transfer des Materials zu und von den Elektroden verbessert.

Sono-Elektrolyse mit pulsierendem Strom

Pulsierender Strom an den Ultraschall-Elektroden führt zu Produkten, die sich von Gleichstrom (DC) unterscheiden. Zum Beispiel kann pulsierender Strom das Verhältnis von Ozon zu Sauerstoff erhöhen, das bei der Elektrolyse einer wässrigen sauren Lösung, z. B. verdünnter Schwefelsäure, an der Anode erzeugt wird. Die pulsierende Stromelektrolyse von Ethanol erzeugt einen Aldehyd anstelle einer primär sauren Lösung.

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Ausrüstung für Elektro-Sonifikation

Hielscher Ultrasonics entwickelte einen speziellen elektrischen Isolator. Dieser Isolator koppelt mechanische Schwingungen von einem Standard-UIP-Schallwandler an fast alle Typen von Hielscher-Sonotroden.

Ultraschall-Elektroden (Sonotroden)

Die Sonotroden sind vom Ultraschallgenerator und -wandler elektrisch isoliert. Daher können Sie die Ultraschall-Sonotrode an eine elektrische Spannung anschließen, so dass die Sonotrode als Elektrode fungieren kann. Der standardmässige elektrische Isolationsabstand zwischen den Sonotroden und dem Sonotrodenhorn des Wandlers beträgt 2,5 mm. Sie können also bis zu 2500 Volt an die Sonotrode anlegen. Standardsonotroden sind massiv und aus Titan gefertigt. Daher gibt es fast keine Einschränkung des Elektrodenstroms. Titan zeigt eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber vielen alkalischen oder sauren Elektrolyten. Alternative Sonotrodenwerkstoffe, wie Aluminium (Al), Stahl (Fe), Edelstahl, Nickel-Chrom-Molybdän oder Niob sind möglich. Hielscher bietet kostengünstige Opferanodensonotroden an, z.B. aus Aluminium oder Stahl.

Ultraschallgenerator, Stromversorgung

Der Ultraschallgenerator muss nicht modifiziert werden und verwendet eine Standard-Steckdose mit Erdung. Das Horn des Wandlers und alle Außenflächen des Wandlers und des Generators sind selbstverständlich mit der Masse der Steckdose verbunden. Die Sonotrode und ein Verbindungselement sind die einzigen Teile, die mit der Elektrodenspannung verbunden sind. Dies erleichtert die Konstruktion des Aufbaus. Sie können die Sonotrode an Gleichstrom (DC), pulsierenden Gleichstrom oder Wechselstrom (AC) anschließen. Ultraschallelektroden können als Anoden bzw. Kathoden betrieben werden.

Produktionsausrüstung für Elektro-Sonifikations-Prozesse

Sie können jedes Hielscher-Ultraschallgerät, wie z.B. UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT oder UIP4000hdT verwenden, um bis zu 4000 Watt Ultraschallleistung an jede Standard-Sonotrode oder -Cascatrode zu koppeln. Die Ultraschall-Oberflächenintensität auf der Sonotrodenoberfläche kann zwischen 1 Watt und 100 Watt pro Quadratzentimeter betragen. Verschiedene Sonotrodengeometrien mit Amplituden von 1 Mikrometer bis 150 Mikrometer (Spitze-Spitze) sind verfügbar. Die Ultraschallfrequenz von 20kHz ist sehr effektiv bei der Erzeugung von Kavitation und akustischer Strömung im Elektrolyt. Die Ultraschallgeräte von Hielscher können 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche betrieben werden. Sie können kontinuierlich mit voller Leistung oder pulsierend arbeiten, z. B. zur periodischen Reinigung der Elektroden. Hielscher Ultrasonics kann Ultraschallelektroden mit bis zu 16 Kilowatt Ultraschallleistung (mechanische Vibration) pro Einzelelektrode liefern. Der elektrischen Leistung, die an die Elektroden angeschlossen werden kann, sind fast keine Grenzen gesetzt.

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Bitte benutzen Sie das untenstehende Formular, wenn Sie zusätzliche Informationen über die Verwendung von Ultraschallelektroden anfordern möchten. Wir bieten Ihnen gerne ein Ultraschallsystem an, das Ihren Anforderungen entspricht.









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Eine Sache noch: Sono-Elektrostatisches Sprühen

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

Ultrasonic Cathode and/or Anode in Batch Setup

Hochleistungs-2000-Watt-Ultraschall-Kathode und/oder -Anode im Batch-Setup