Sonoelektrochemie und ihre Vorteile

Hier erfahren Sie alles Wissenswerte über ultraschallgestützte Elektrochemie (Sonoelektrochemie): Funktionsprinzip, Anwendungen, Vorteile und sonoelektrochemische Geräte – alle relevanten Informationen zur Sonoelektrochemie auf einer Seite.

Warum Ultraschall in der Elektrochemie einsetzen?

Die Kombination niederfrequenter Ultraschallwellen hoher Intensität mit elektrochemischen Systemen bietet vielfältige Vorteile, die die Effizienz und die Umsatzrate elektrochemischer Reaktionen verbessern.

Das Funktionsprinzip von Ultraschall

Für die leistungsstarke Ultraschallverarbeitung wird niederfrequenter Ultraschall hoher Intensität von einem Ultraschallgenerator erzeugt und über eine Sonotrode in eine Flüssigkeit übertragen. Als Hochleistungsultraschall gilt Ultraschall im Bereich von 16–30kHz. Die Sonotrode dehnt sich aus und zieht sich zusammen. Bei 20kHz überträgt sie beispielsweise 20.000 Schwingungen pro Sekunde in das Medium. Wenn sich die Ultraschallwellen durch die Flüssigkeit ausbreiten, erzeugen abwechselnde Hochdruckphasen (Kompression) und Niederdruckphasen (Rarefaktion oder Expansion) winzige Vakuumblasen oder Hohlräume, die über mehrere Druckzyklen hinweg wachsen. Während der Kompressionsphase der Flüssigkeit und der Blasen ist der Druck positiv, während die Rarefaktionsphase ein Vakuum (Unterdruck) erzeugt. Während der Kompressions- und Expansionszyklen wachsen die Hohlräume in der Flüssigkeit, bis sie eine Größe erreichen, bei der sie keine weitere Energie aufnehmen können. An diesem Punkt implodieren sie heftig. Die Implosion dieser Hohlräume führt zu verschiedenen hochenergetischen Effekten, die als Phänomen der akustischen Kavitation bzw. Ultraschallkavitation bekannt sind. Akustische Kavitation zeichnet sich durch vielfältige hochenergetische Effekte aus, die auf Flüssigkeiten, Feststoff-Flüssigkeits-Systeme sowie Gas-Flüssigkeits-Systeme wirken. Die Zone hoher Energiedichte oder Kavitationszone wird als sogenannte Hotspot-Zone bezeichnet. Ihre Energiedichte ist in unmittelbarer Nähe der Sonotrode am höchsten und nimmt mit zunehmendem Abstand von der Sonotrode ab. Zu den wichtigsten Merkmalen der Ultraschallkavitation gehören lokal auftretende sehr hohe Temperaturen und Drücke sowie entsprechende Temperatur- und Druckunterschiede, Turbulenzen und Flüssigkeitsströmungen. Während der Implosion ultraschallerzeugter Hohlräume in den Ultraschallhotspots lassen sich Temperaturen von bis zu 5000 Kelvin, Drücke von bis zu 200 Atmosphären und Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000km/h messen. Diese außergewöhnlich energiereichen Bedingungen tragen zu sonomechanischen und sonochemischen Effekten bei, die elektrochemische Systeme auf verschiedene Weise intensivieren.

Die Auswirkungen von Ultraschall auf elektrochemische Systeme

Die Ultraschallbehandlung elektrochemischer Reaktionen ist für verschiedene Auswirkungen auf die Elektroden, also Anode und Kathode, sowie auf die Elektrolytlösung bekannt. Ultraschallkavitation und akustische Strömungen erzeugen ausgeprägte Mikrobewegungen, auftreffende Flüssigkeitsstrahlen und eine Durchmischung der Reaktionsflüssigkeit. Dadurch verbessern sich die Hydrodynamik und die Bewegung des Flüssigkeits-Feststoff-Gemischs. Ultraschallkavitation verringert die effektive Dicke der Diffusionsschicht an einer Elektrode. Eine dünnere Diffusionsschicht bedeutet, dass die Beschallung den Konzentrationsunterschied minimiert: Die Annäherung der Konzentration in der Nähe einer Elektrode an den Konzentrationswert im Hauptvolumen der Lösung wird durch Ultraschall gefördert. Der Einfluss der ultraschallinduzierten Durchmischung auf die Konzentrationsgradienten während der Reaktion gewährleistet die kontinuierliche Zufuhr frischer Lösung zur Elektrode und den Abtransport umgesetzten Materials. Somit verbessert die Beschallung die Gesamtkinetik, beschleunigt die Reaktion und erhöht die Reaktionsausbeute.
Durch den Eintrag von Ultraschallenergie in das System sowie die sonochemische Bildung freier Radikale lassen sich elektrochemische Reaktionen initiieren, die andernfalls nicht ablaufen würden. Eine weitere wichtige Wirkung akustischer Schwingungen und Strömungen ist die Reinigung der Elektrodenoberflächen. Passivierungsschichten und Ablagerungen an den Elektroden begrenzen die Effizienz und die Geschwindigkeit elektrochemischer Reaktionen. Die Ultraschallbehandlung hält die Elektroden dauerhaft sauber und für die Reaktion vollständig aktiv. Ultraschallbehandlung ist für ihre entgasende Wirkung bekannt, die auch bei elektrochemischen Reaktionen vorteilhaft ist. Durch die Entfernung unerwünschter Gase aus der Flüssigkeit kann die Reaktion effizienter ablaufen.

Anwendungen der Sonoelektrochemie

Sonoelektrochemie lässt sich für verschiedene Prozesse und in unterschiedlichen Branchen einsetzen. Zu den sehr verbreiteten Anwendungen der Sonoelektrochemie gehören:

• Nanopartikelsynthese (Elektrosynthese)
• Wasserstoffsynthese
• Elektrokoagulation
• Abwasserbehandlung
• Emulsionsspaltung
• Galvanisieren / elektrochemische Abscheidung
• Ohmsche Erwärmung

Sonoelektrochemische Synthese von Nanopartikeln

Ultraschallbehandlung wurde erfolgreich zur Synthese verschiedener Nanopartikel in einem elektrochemischen System eingesetzt. Magnetit, Cadmiumselenid-Nanoröhren (CdSe), Platin-Nanopartikel (NPs), Gold-NPs, metallisches Magnesium, Bismuthen, Nanosilber, ultrafeines Kupfer, Nanopartikel aus einer Wolfram-Kobalt-Legierung (W–Co), ein Nanokomposit aus Samariumoxid und reduziertem Graphenoxid, mit Polyacrylsäure stabilisierte Kupfernanopartikel mit einer Größe unter 1nm sowie viele weitere nanoskalige Pulver wurden mithilfe der Sonoelektrochemie erfolgreich hergestellt.
Zu den Vorteilen der sonoelektrochemischen Nanopartikelsynthese gehören

• der Verzicht auf Reduktionsmittel und Tenside
• die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel
• die Einstellung der Nanopartikelgröße durch Variation der Parameter (Ultraschallleistung, Stromdichte, Abscheidungspotenzial sowie die Pulszeiten des Ultraschalls im Verhältnis zu denen der elektrochemischen Anregung)

Ashasssi-Sorkhabi und Bagheri (2014) synthetisierten Polypyrrolfilme sonoelektrochemisch und verglichen die Ergebnisse mit elektrochemisch synthetisierten Polypyrrolfilmen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch galvanostatische sonoelektrochemische Abscheidung bei einer Stromdichte von 4 mA cm–2 in einer Lösung aus 0,1 M Oxalsäure und 0,1 M Pyrrol ein stark haftender und glatter Polypyrrolfilm (PPy) auf Stahl erzeugt wurde. Mittels sonoelektrochemischer Polymerisation erhielten sie widerstandsfähige und zähe PPy-Filme mit glatter Oberfläche. Es wurde gezeigt, dass sonoelektrochemisch hergestellte PPy-Beschichtungen einen erheblichen Korrosionsschutz für St-12-Stahl bieten. Die synthetisierte Beschichtung war gleichmäßig und wies eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. All diese Ergebnisse lassen sich möglicherweise darauf zurückführen, dass der Ultraschall den Stofftransport der Reaktanten verbesserte und durch akustische Kavitation sowie die daraus resultierenden hohen Temperaturen und Drücke hohe chemische Reaktionsgeschwindigkeiten bewirkte. Die Gültigkeit der Impedanzdaten für die Grenzfläche zwischen St-12-Stahl, den beiden PPy-Beschichtungen und korrosiven Medien wurde mithilfe der KK-Transformationen überprüft; dabei wurden geringe mittlere Fehler festgestellt.

Hass und Gedanken (2008) berichteten über die erfolgreiche sonoelektrochemische Synthese metallischer Magnesiumnanopartikel. Die Wirkungsgrade des sonoelektrochemischen Prozesses mit dem Grignard-Reagenz in Tetrahydrofuran (THF) bzw. in einer Dibutyldiglyme-Lösung betrugen 41,35% bzw. 33,08%. Die Zugabe von AlCl3 zur Grignard-Lösung erhöhte die Effizienz deutlich auf 82,70% in THF bzw. 51,69% in Dibutyldiglyme.

Sonoelektrochemische Wasserstofferzeugung

Ultraschallgestützte Elektrolyse erhöht die Wasserstoffausbeute aus Wasser oder alkalischen Lösungen erheblich. Klicken Sie hier, um mehr über die ultraschallbeschleunigte elektrolytische Wasserstoffsynthese zu erfahren!

Ultraschallgestützte Elektrokoagulation

Der Einsatz niederfrequenten Ultraschalls in Elektrokoagulationssystemen wird als Sonoelektrokoagulation bezeichnet. Studien zeigen, dass Beschallung die Elektrokoagulation positiv beeinflusst und beispielsweise eine effizientere Entfernung von Eisenhydroxiden aus Abwasser bewirkt. Die positive Wirkung von Ultraschall auf die Elektrokoagulation wird durch die Verringerung der Elektrodenpassivierung erklärt. Niederfrequenter Ultraschall hoher Intensität zerstört abgelagerte Feststoffschichten und entfernt sie effizient, wodurch die Elektroden kontinuierlich vollständig aktiv bleiben. Darüber hinaus aktiviert Ultraschall beide in der Reaktionszone der Elektroden vorhandenen Ionenarten, also Kationen und Anionen. Die ultraschallinduzierte Durchmischung führt zu ausgeprägten Mikrobewegungen in der Lösung, die Ausgangsstoffe zu den Elektroden transportieren und Produkte von ihnen abführen.
Beispiele für erfolgreiche Sonoelektrokoagulationsprozesse sind die Reduktion von Cr(VI) zu Cr(III) in pharmazeutischem Abwasser, die Entfernung von Gesamtphosphor aus Abwässern der Feinchemieindustrie mit einer Phosphorentfernung von 99,5% innerhalb von 10 min., die Entfernung von Farbe und die Verringerung des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) in Abwässern der Zellstoff- und Papierindustrie usw. Die berichteten Abscheidegrade für Farbe, CSB, Cr(VI), Cu(II) und P betrugen 100%, 95%, 100%, 97,3% bzw. 99,84%. (Vgl. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sonoelektrochemischer Schadstoffabbau

Ultraschallgestützte elektrochemische Oxidations- und/oder Reduktionsreaktionen werden als leistungsfähige Methode zum Abbau chemischer Schadstoffe eingesetzt. Sonomechanische und sonochemische Mechanismen fördern den elektrochemischen Schadstoffabbau. Ultraschallerzeugte Kavitation führt zu intensiver Durchmischung, Mikromischung, Stofftransport und zur Entfernung von Passivierungsschichten von den Elektroden. Diese Kavitationseffekte verbessern vor allem den Feststoff-Flüssigkeits-Stofftransport zwischen den Elektroden und der Lösung. Sonochemische Effekte wirken direkt auf Moleküle. Durch die homolytische Spaltung von Molekülen entstehen hochreaktive Oxidationsmittel. In wässrigen Medien und in Gegenwart von Sauerstoff entstehen Radikale wie HO•, HO2• und O•. •OH-Radikale sind bekanntermaßen wichtig für den effizienten Abbau organischer Materialien. Insgesamt weist der sonoelektrochemische Abbau eine hohe Effizienz auf und eignet sich zur Behandlung großer Volumina von Abwasserströmen und anderen verunreinigten Flüssigkeiten.
Lllanos et al. (2016) stellten beispielsweise fest, dass sich bei der Wasserdesinfektion erhebliche synergistische Effekte erzielen ließen, wenn das elektrochemische System durch Beschallung intensiviert wurde (sonoelektrochemische Desinfektion). Diese Steigerung der Desinfektionsrate stand den Ergebnissen zufolge mit der Unterdrückung von E.-coli-Zellagglomeraten sowie einer verstärkten Bildung desinfizierender Spezies in Zusammenhang. Esclapez et al. (2010) zeigten, dass bei der Maßstabsvergrößerung des Abbaus von Trichloressigsäure (TCAA) in einem speziell entwickelten, jedoch nicht optimierten sonoelektrochemischen Reaktor das mit dem UIP1000hd erzeugte Ultraschallfeld bei geringeren Ultraschallintensitäten und geringerem Volumenstrom bessere Ergebnisse lieferte (Umsatzgrad 97%, Abbaueffizienz 26%, Selektivität 0,92 und Stromausbeute 8%). Da der sonoelektrochemische Reaktor im Vorpilotmaßstab noch nicht optimiert war, ist es sehr wahrscheinlich, dass sich diese Ergebnisse noch weiter verbessern lassen.

Ultraschallgestützte Voltammetrie und elektrochemische Abscheidung

Die elektrochemische Abscheidung erfolgte galvanostatisch bei einer Stromdichte von 15 mA/cm2. Die Lösungen wurden vor der elektrochemischen Abscheidung 5–60 Minuten lang mit Ultraschall behandelt. Ein Hielscher Ultraschallgerät UP200S mit Sonotrode wurde bei einer Zykluszeit von 0,5 eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung erfolgte durch direktes Eintauchen der Sonotrode in die Lösung. Um den Einfluss des Ultraschalls auf die Lösung vor der elektrochemischen Abscheidung zu bewerten, wurde die zyklische Voltammetrie (CV) eingesetzt. Sie ermöglicht es, das Verhalten der Lösung zu untersuchen und ideale Bedingungen für die elektrochemische Abscheidung vorherzusagen. Es wurde beobachtet, dass die Abscheidung bei weniger negativen Potenzialwerten beginnt, wenn die Lösung zuvor mit Ultraschall behandelt wird. Das bedeutet, dass bei gleichem Strom in der Lösung ein betragsmäßig geringeres Potenzial erforderlich ist, da sich die Spezies in der Lösung aktiver verhalten als in nicht ultraschallbehandelten Lösungen. (Vgl. Yurdal & Karahan 2017)
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Leistungsstarke elektrochemische Sonotroden und Sonoelektroreaktoren

Hielscher Ultrasonics ist Ihr langjährig erfahrener Partner für leistungsstarke Ultraschallsysteme. Wir fertigen und vertreiben modernste Sonotroden und Ultraschallreaktoren, die weltweit für Anwendungen unter hoher Belastung in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden. Für die Sonoelektrochemie hat Hielscher spezielle Sonotroden entwickelt, die als Kathode und/oder Anode fungieren können, sowie Ultraschallreaktorzellen, die für elektrochemische Reaktionen geeignet sind. Ultraschallelektroden und -zellen sind sowohl für galvanische bzw. voltaische als auch für elektrolytische Systeme erhältlich.

Präzise einstellbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Ultraschallprozessoren von Hielscher lassen sich präzise steuern und sind damit zuverlässige Werkzeuge in Forschung, Entwicklung und Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, die die Effizienz und Wirksamkeit sonochemisch und sonomechanisch induzierter Reaktionen beeinflussen. Alle Prozessoren von Hielscher Ultrasonics ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle sonoelektrochemische Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb einsetzen.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die kontinuierliche Überwachung der Ultraschallprozessparameter durch intelligente Software ermöglichen es Ihnen, die sonoelektrochemische Reaktion gezielt zu beeinflussen. Bei jedem Beschallungslauf werden alle Ultraschallparameter automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet, sodass jeder Lauf ausgewertet und kontrolliert werden kann. Optimale Beschallung für höchste Effizienz sonoelektrochemischer Reaktionen!
Alle Geräte sind für den 24/7/365-Einsatz unter Volllast ausgelegt und bewähren sich durch ihre Robustheit und Zuverlässigkeit im dauerhaften Einsatz in Ihrem elektrochemischen Prozess. Damit sind die Ultraschallgeräte von Hielscher zuverlässige Arbeitsmittel, die die Anforderungen Ihres sonoelektrochemischen Prozesses erfüllen.

Höchste Qualität – entwickelt und gefertigt in Deutschland

Als Unternehmen in Familienbesitz und unter Familienführung legt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren größten Wert auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden an unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin, Deutschland, entwickelt, gefertigt und gründlich geprüft. Durch ihre Robustheit und Zuverlässigkeit bewähren sich die Ultraschallgeräte von Hielscher im dauerhaften Einsatz in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen gehört selbstverständlich zu den Eigenschaften der Hochleistungssonotroden und Ultraschallreaktoren von Hielscher.

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