Sonoelektrochemische Anlage – 2000 Watt Ultraschall

Die Sonoelektrochemie verbindet die Vorteile der Elektrochemie mit denen der Sonochemie. Die größten Vorteile dieser Verfahren sind ihre Einfachheit, die niedrigen Kosten, die Reproduzierbarkeit und die Skalierbarkeit. Hielscher Ultrasonics bietet eine komplette sonoelektrochemische Anlage für den Chargen- und Inline-Betrieb. Sie besteht aus:

• einem fortschrittlichen Ultraschallgenerator (2000 Watt) mit automatischer Frequenzabstimmung, Amplitudenregelung und ausgefeilter Datenprotokollierung,
• einem leistungsstarken Schallwandler mit Ultraschallhorn (Industriequalität, 2000 Watt, 20 kHz),
• einem elektrischen Isolator, der die Ultraschallschwingungen nicht verringert,
• Ultraschall-Boostern zur Erhöhung oder Verringerung der Amplitude,
• verschiedenen Sonotrodenausführungen (Die Sonotrode ist die Elektrode. Sie dient als Kathode oder Anode.),
• einem Durchflusszellenreaktor mit austauschbaren Zellwänden (Aluminium, Edelstahl, Stahl, Kupfer, …).

Sie müssen keine Zeit damit verschwenden, eine eigene Anlage zu entwickeln, nur um Ultraschall mit Elektrochemie kombinieren zu können. Sie müssen keine elektrischen Änderungen an Standard-Ultraschallgeräten vornehmen. Entscheiden Sie sich für diese industrielle sonoelektrochemische Anlage und konzentrieren Sie Ihre Arbeit und Ihre Zeit auf Ihre chemische Forschung und Prozessoptimierung!

Einsatzbereite Anlage für die Sonoelektrochemie

Hielscher Ultrasonics bietet eine einfach zu bedienende sonoelektrochemische Anlage mit einer anpassbaren, flexiblen Konfiguration. Diese Anlage eignet sich sowohl für allgemeine Forschung und Entwicklung sowie die Prozessoptimierung als auch für die Produktion im mittleren Maßstab. Die Sonotrode am UIP2000hdT (2000 Watt, 20 kHz) kann als Elektrode in einer Chargenanordnung oder inline mit einer Durchflusszelle eingesetzt werden. Sie verfügt über eine einzigartige Konstruktion zur elektrischen Isolierung. Die sonoelektrochemische Aufrüstung des Schallwandlers verringert die Ultraschallleistung nicht.
Die Standard-Sonotrode bzw. -Elektrode besteht aus Titan Grade 5 und ist so ausgelegt, dass die Ultraschallintensität entlang ihrer Seitenfläche möglichst gleichmäßig ist. Andere Ausführungen und andere Materialien wie Aluminium, Stahl oder Edelstahl sind erhältlich. Der spezielle Durchflusszellenreaktor dieser Ausführung hat einen Aluminiumkörper, der durch die Kunststoffanschlüsse an beiden Enden elektrisch isoliert ist. Das Aluminiumprofil kann als kostengünstige Opferelektrode verwendet und einfach durch andere Materialien wie Stahl, Edelstahl oder Kupfer ersetzt werden. Andere Zelldurchmesser oder Ausführungen sind erhältlich. Die Zelle in der Zeichnung hat zwischen der Ultraschallelektrode und dem Zellkörper einen Spalt von etwa 2–4 mm. Daher erzeugen die Ultraschallwellen auch am Zellkörper akustische Strömung und Kavitation. Alle Standardkomponenten dieser Ausführung sind in unseren Lagern in Deutschland und den USA verfügbar. Selbstverständlich können Sie dieselbe Anlage auch für alle anderen nicht elektrischen Ultraschall- und sonochemischen Prozesse verwenden. Diese Anlage eignet sich auch für ultraschallunterstützte Prozesse mit hohen elektrischen Impulsen (HEP).

Fortschrittliche Komponenten in Industriequalität

Der UIP2000hdT wird von vielen Kunden eingesetzt, um die Lücke zwischen Laborversuch und Produktion zu schließen. Alle Geräte von Hielscher sind für den Dauerbetrieb ausgelegt – 24h/7d/365d. Der UIP2000hdT ist mit einem Touchscreen, einer Ethernet-Schnittstelle, einer 24/7-Datenprotokollierung im Excel-kompatiblen CSV-Format auf SD-Karte und einem Thermoelement zur Temperaturüberwachung ausgestattet. Sie können den UIP2000hdT über Ihren Browser steuern. Ein digitaler Drucksensor, der an den UIP2000hdT angeschlossen wird, ist erhältlich. Der UIP2000hdT kann Ihnen die tatsächliche Nettoleistungsabgabe an der Elektrode anzeigen. Dabei handelt es sich um die mechanische Netto-Ultraschallleistung in der Flüssigkeit. Dadurch können Sie jede Sekunde der Beschallung überwachen und überprüfen, z. B. zur Prozesssteuerung oder -optimierung. Ultraschallgeräte von Hielscher liefern sehr gut reproduzierbare und wiederholbare Ergebnisse. Sie können Ihre Ergebnisse linear auf den Produktionsmaßstab übertragen. Selbstverständlich unterstützt Sie das technische Team von Hielscher bei der Planung geeigneter Versuche, und Hielscher arbeitet mit Ihnen daran, Ihren Prozess zum Laufen zu bringen.

Diese sonoelektrochemische Anlage lässt kaum Wünsche offen. Allenfalls ein zweiter UIP2000hdT als zweite Elektrode könnte noch fehlen.

Wenn Sie in dieses Teilgebiet der Chemie neu einsteigen, finden Sie im Folgenden weitere Informationen zur Sonochemie, Elektrochemie und Sonoelektrochemie.

Sonochemie + Elektrochemie = Sonoelektrochemie

Sonoelektrochemie ist die Kombination aus Elektrochemie und Sonochemie.

Elektrochemie

Die Elektrochemie ergänzt die physikalische Chemie um Elektrizität. Sie ist ein fortschrittliches Verfahren zur Aktivierung von Reagenzien oder Reaktanten durch die Übertragung von Elektronen. Sie ermöglicht gezielte, selektive chemische Umwandlungen. Die Elektrochemie ist ein Oberflächenphänomen.

Sonochemie

Die Sonochemie ergänzt chemische Reaktionen um akustisch und durch Kavitation erzeugte Strömungen sowie Aktivierungsenergie. Der wichtigste Mechanismus in der Sonochemie ist die Kavitation. Der Kollaps von Kavitationsblasen in einem Ultraschallfeld erzeugt lokal begrenzte Hotspots mit extremen Bedingungen, etwa Temperaturen von mehr als 5000 Kelvin, Drücken von bis zu 1000 Atmosphären und Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000 Kilometern pro Stunde. Dies verbessert elektrochemische Reaktionen an der Oberfläche der Elektroden.
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Sonoelektrochemie

Die Sonoelektrochemie kombiniert die beiden oben genannten Verfahren, indem eine elektrochemische Anordnung mit Ultraschall behandelt wird. Ultraschall beeinflusst wichtige elektrochemische Parameter und die Effizienz chemischer Prozesse. Die elektrochemische Lösung bzw. die Hydrodynamik des elektrochemischen Analyten in einer elektrochemischen Zelle wird durch die Einwirkung von Ultraschall erheblich verbessert. Die Kopplung einer Elektrode an ein Ultraschallhorn wirkt sich positiv auf die Aktivität der Elektrodenoberfläche und das Konzentrationsprofil der elektrochemischen Analytspezies in der gesamten Zelle aus. Sonomechanische Effekte verbessern den Stofftransport elektrochemischer Spezies aus dem Lösungsvolumen zur elektroaktiven Oberfläche. Eine Ultraschallelektrode verringert die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche, erhöht die Dicke der elektrochemisch abgeschiedenen bzw. galvanisch aufgebrachten Schicht, steigert die elektrochemischen Reaktionsgeschwindigkeiten, Ausbeuten und Wirkungsgrade, erhöht die Porosität und Härte der elektrochemisch abgeschiedenen Schicht und verbessert die Gasentfernung aus elektrochemischen Lösungen. Sie reinigt und reaktiviert die Elektrodenoberfläche, verringert die Überspannungen an den Elektroden durch die Depassivierung des Metalls und die Entfernung von Gasblasen an der Elektrodenoberfläche (ausgelöst durch Kavitation und akustische Strömung) und unterdrückt die Belagbildung auf den Elektroden. Zu den Anwendungen der Sonoelektrochemie gehören Elektropolymerisation, Elektrokoagulation, organische Elektrosynthese, Materialelektrochemie, Umweltelektrochemie, elektroanalytische Chemie, Wasserstoffproduktion und elektrochemische Abscheidung.

Sonoelektrochemie in Anwendungen der Durchflusschemie

Wenn Sie sonoelektrochemische Prozesse in einer Durchflussanlage durchführen, können Sie die Verweilzeit bei sonoelektrochemischen Reaktionen durch eine Änderung des Volumenstroms einstellen. Sie können das Material für eine wiederholte Behandlung rezirkulieren lassen oder einmal durch die Zelle pumpen. Die Rezirkulation kann für die Temperaturregelung vorteilhaft sein, z. B. durch das Durchströmen eines Wärmetauschers zum Kühlen oder Heizen.
Wenn Sie am Auslass des sonoelektrochemischen Zellreaktors ein Gegendruckventil verwenden, können Sie den Druck in der Zelle erhöhen. Der Druck in der Zelle ist ein sehr wichtiger Parameter, um die Beschallung zu intensivieren und die Bildung von Gasphasen zu beeinflussen. Er ist auch bei der Arbeit mit Reaktanten oder Produkten mit niedrigem Siedepunkt wichtig.
Der Durchflussbetrieb ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb und damit die Produktion größerer Volumina.
Wenn das Material zwischen zwei Elektroden fließt, z. B. zwischen Sonotrode und Zellwand, können Sie den Abstand zwischen den Elektroden verringern. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle der Anzahl übertragener Elektronen und eine höhere Selektivität der Reaktion. Dadurch können Produktgenauigkeit, Produktverteilung und Ausbeute verbessert werden.
Im Allgemeinen können sonoelektrochemische Reaktionen in einer Anordnung mit Durchflusszellenreaktor wesentlich schneller ablaufen als die entsprechende Reaktion in einem Chargenprozess. Reaktionen, die bis zu mehrere Stunden dauern können, lassen sich in wenigen Minuten abschließen und liefern dabei ein besseres Produkt.

Literatur / Quellen

• Bruno G. Pollet; Faranak Foroughi; Alaa Y. Faid; David R. Emberson; Md.H. Islam (2020): Does power ultrasound (26 kHz) affect the hydrogen evolution reaction (HER) on Pt polycrystalline electrode in a mild acidic electrolyte? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 69, December 2020.
• Md H. Islam; Odne S. Burheim; Bruno G.Pollet (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 51, March 2019. 533-555.
• Jayaraman Theerthagiri; Jagannathan Madhavan; Seung Jun Lee; Myong Yong Choi; Muthupandian Ashokkumar; Bruno G. Pollet (2020): Sonoelectrochemistry for energy and environmental applications. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 63, 2020.
• Bruno G. Pollet (2019): Does power ultrasound affect heterogeneous electron transfer kinetics? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 6-12.
• Md Hujjatul Islam; Michael T.Y. Paul; Odne S. Burheim; Bruno G. Pollet (2019): Recent developments in the sonoelectrochemical synthesis of nanomaterials. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 59, 2019.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
• M.D. Esclapez, V. Sáez, D. Milán-Yáñez, I. Tudela, O. Louisnard, J. González-García (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 6, 2010. 1010-1020.
• L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.