Sono-Electrochemistry και τα πλεονεκτήματά της

Εδώ θα βρείτε όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε για την ηλεκτροχημεία υπερήχων (sonoelectrochemistry): αρχή λειτουργίας, εφαρμογές, πλεονεκτήματα και sono-ηλεκτροχημικός εξοπλισμός – Όλες οι σχετικές πληροφορίες για τη Sonoelectrochemistry σε μία σελίδα.

Γιατί η εφαρμογή υπερήχων στην ηλεκτροχημεία?

Ο συνδυασμός κυμάτων υπερήχων χαμηλής συχνότητας, υψηλής έντασης με ηλεκτροχημικά συστήματα έρχεται με πολλαπλά οφέλη, τα οποία βελτιώνουν την αποτελεσματικότητα και το ρυθμό μετατροπής των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων.

Η αρχή λειτουργίας των υπερήχων

Για επεξεργασία υπερήχων υψηλής απόδοσης, υπερηχογράφημα υψηλής έντασης, χαμηλής συχνότητας παράγεται από μια γεννήτρια υπερήχων και μεταδίδεται μέσω ενός υπερηχητικού καθετήρα (sonotrode) σε ένα υγρό. Ο υπερηχογράφος υψηλής ισχύος θεωρείται υπερηχογράφημα στην περιοχή των 16-30kHz. Ο αισθητήρας υπερήχων διαστέλλεται και συστέλλεται π.χ. στα 20kHz, μεταδίδοντας έτσι αντίστοιχα 20.000 δονήσεις ανά δευτερόλεπτο στο μέσο. Όταν τα υπερηχητικά κύματα ταξιδεύουν μέσω του υγρού, εναλλασσόμενοι κύκλοι υψηλής πίεσης (συμπίεσης) / χαμηλής πίεσης (αραίωση ή επέκταση) δημιουργούν λεπτές φυσαλίδες κενού ή κοιλότητες, οι οποίες αναπτύσσονται σε αρκετούς κύκλους πίεσης. Κατά τη διάρκεια της φάσης συμπίεσης του υγρού και των φυσαλίδων, η πίεση είναι θετική, ενώ η φάση αραίωσης παράγει κενό (αρνητική πίεση). Κατά τη διάρκεια των κύκλων συμπίεσης-διαστολής, οι κοιλότητες στο υγρό αναπτύσσονται μέχρι να φτάσουν σε ένα μέγεθος, στο οποίο δεν μπορούν να απορροφήσουν περισσότερη ενέργεια. Σε αυτό το σημείο, καταρρέουν βίαια. Η κατάρρευση αυτών των κοιλοτήτων έχει ως αποτέλεσμα διάφορα εξαιρετικά ενεργητικά αποτελέσματα, τα οποία είναι γνωστά ως το φαινόμενο της ακουστικής / υπερηχητικής σπηλαίωσης. Η ακουστική σπηλαίωση χαρακτηρίζεται από πολλαπλές εξαιρετικά ενεργητικές επιδράσεις, οι οποίες επηρεάζουν υγρά, στερεά / υγρά συστήματα καθώς και συστήματα αερίου / υγρού. Η ενεργειακά πυκνή ζώνη ή η ζώνη σπηλαίωσης είναι γνωστή ως λεγόμενη ζώνη θερμού σημείου, η οποία είναι πιο ενεργειακά πυκνή σε κοντινή απόσταση από τον υπερηχητικό καθετήρα και μειώνεται με την αυξανόμενη απόσταση από το sonotrode. Τα κύρια χαρακτηριστικά της υπερηχητικής σπηλαίωσης περιλαμβάνουν τοπικά απαντώμενες πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις και αντίστοιχες διαφορές, αναταράξεις, και ροή υγρών. Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης των υπερηχητικών κοιλοτήτων σε υπερηχητικά καυτά σημεία, μπορούν να μετρηθούν θερμοκρασίες μέχρι 5000 Kelvin, πιέσεις μέχρι 200 ατμόσφαιρες και υγροί πίδακες με έως και 1000km / h. Αυτές οι εξαιρετικές ενεργοβόρες συνθήκες συμβάλλουν σε sonomechanical και sonochemical επιδράσεις που εντείνουν τα ηλεκτροχημικά συστήματα με διάφορους τρόπους.

Οι επιδράσεις των υπερήχων στα ηλεκτροχημικά συστήματα

Η εφαρμογή υπερήχων σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις είναι γνωστή για διάφορες επιδράσεις στα ηλεκτρόδια, δηλαδή άνοδο και κάθοδο, καθώς και το ηλεκτρολυτικό διάλυμα. Υπερήχων σπηλαίωση και ακουστική ροή παράγουν σημαντική μικρο-κίνηση, προσκρούοντας υγρούς πίδακες και ανάδευση στο υγρό αντίδρασης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη βελτίωση της υδροδυναμικής και της κίνησης του υγρού/στερεού μείγματος. Υπερήχων σπηλαίωση μειώνει το αποτελεσματικό πάχος του στρώματος διάχυσης σε ένα ηλεκτρόδιο. Ένα μειωμένο στρώμα διάχυσης σημαίνει ότι η υπερήχηση ελαχιστοποιεί τη διαφορά συγκέντρωσης, που σημαίνει ότι η σύγκλιση της συγκέντρωσης κοντά σε ένα ηλεκτρόδιο και η τιμή συγκέντρωσης στο χύμα διάλυμα προωθούνται υπερηχητικά. Η επίδραση της υπερηχητικής ανάδευσης στις βαθμίδες συγκέντρωσης κατά τη διάρκεια της αντίδρασης εξασφαλίζει τη μόνιμη τροφοδοσία φρέσκου διαλύματος στο ηλεκτρόδιο και την απομάκρυνση του αντιδρώντος υλικού. Αυτό σημαίνει υπερήχηση βελτίωσε τη συνολική κινητική, επιταχύνοντας το ρυθμό αντίδρασης και αυξάνοντας την απόδοση αντίδρασης.
Με την εισαγωγή της υπερηχητικής ενέργειας στο σύστημα, καθώς και το sonochemical σχηματισμό των ελεύθερων ριζών, ηλεκτροχημική αντίδραση, η οποία διαφορετικά θα ήταν ηλεκτροανενεργή, μπορεί να ξεκινήσει. 
Μια άλλη σημαντική επίδραση της ακουστικής δόνησης και ροής είναι η επίδραση καθαρισμού στις επιφάνειες των ηλεκτροδίων. Τα στρώματα παθητικοποίησης και η ρύπανση στα ηλεκτρόδια περιορίζουν την αποτελεσματικότητα και το ρυθμό αντίδρασης των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Υπερήχους διατηρεί τα ηλεκτρόδια μόνιμα καθαρά και πλήρως ενεργά για αντίδραση. Υπερήχους είναι γνωστή για τα αποτελέσματα απαέρωσης, τα οποία είναι ευεργετικά σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις, πάρα πολύ. Αφαιρώντας ανεπιθύμητα αέρια από το υγρό, η αντίδραση μπορεί να είναι πιο αποτελεσματική.

Εφαρμογές της Sonoelectrochemistry

Η Sonoelectrochemistry μπορεί να εφαρμοστεί σε διάφορες διαδικασίες και σε διαφορετικές βιομηχανίες. Πολύ κοινές εφαρμογές της sonoelectrochemistry περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:

• Σύνθεση νανοσωματιδίων (ηλεκτροσύνθεση)
• σύνθεση υδρογόνου
• ηλεκτροσυσσωμάτωση
• Επεξεργασία λυμάτων
• Θραύση γαλακτωμάτων
• Ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση / Ηλεκτροαπόθεση

Sono-ηλεκτροχημική σύνθεση νανοσωματιδίων

Υπερήχους εφαρμόστηκε με επιτυχία για να συνθέσει διάφορα νανοσωματίδια σε ένα ηλεκτροχημικό σύστημα. Μαγνητίτης, νανοσωλήνες καδμίου-σεληνίου (CdSe), νανοσωματίδια πλατίνας (NPs), NPs χρυσού, μεταλλικό μαγνήσιο, βισμουθένιο, νανο-άργυρος, εξαιρετικά λεπτός χαλκός, νανοσωματίδια κράματος βολφραμίου-κοβαλτίου (W-Co), νανοσύνθετο οξείδιο του γραφενίου σαμάρειας/μειωμένο νανοσύνθετο οξείδιο του γραφενίου, νανοσωματίδια χαλκού κάτω του 1nm με πολυ(ακρυλικό οξύ) και πολλές άλλες σκόνες νανομεγέθους έχουν παραχθεί με επιτυχία χρησιμοποιώντας sonoelectrochemistry.
Τα πλεονεκτήματα της sonoelectrochemical σύνθεσης νανοσωματιδίων περιλαμβάνουν την

• αποφυγή αναγωγικών παραγόντων και επιφανειοδραστικών ουσιών
• χρήση νερού ως διαλύτη
• Ρύθμιση του μεγέθους των νανοσωματιδίων με ποικίλες παραμέτρους (υπερηχητική ισχύς, πυκνότητα ρεύματος, δυναμικό εναπόθεσης και χρόνοι υπερήχων έναντι ηλεκτροχημικών παλμών)

Οι Ashasssi-Sorkhabi και Bagheri (2014) συνέθεσαν μεμβράνες πολυπυρρόλης sonoelectrochemical και συνέκριναν τα αποτελέσματα με ηλεκτροχημικά συνθετικά φιλμ πολυπυρρόλης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η γαλβανοστατική sonoelectrodeposition παρήγαγε ένα ισχυρά προσκολλημένο και λείο φιλμ πολυπυρρόλης (PPy) σε χάλυβα, με πυκνότητα ρεύματος 4 mA cm–2 σε διάλυμα οξαλικού οξέος 0,1 M / 0,1 M πυρρόλης. Χρησιμοποιώντας sonoelectrochemical πολυμερισμό, έλαβαν υψηλής αντοχής και σκληρές μεμβράνες PPy με λεία επιφάνεια. Έχει αποδειχθεί ότι οι επιστρώσεις PPy που παρασκευάζονται από sonoelectrochemistry παρέχουν σημαντική προστασία από τη διάβρωση στον χάλυβα St-12. Η συνθετική επίστρωση ήταν ομοιόμορφη και παρουσίαζε υψηλή αντοχή στη διάβρωση. Όλα αυτά τα αποτελέσματα μπορούν να αποδοθούν στο γεγονός ότι ο υπέρηχος ενίσχυσε τη μεταφορά μάζας των αντιδρώντων και προκάλεσε υψηλούς ρυθμούς χημικών αντιδράσεων μέσω ακουστικής σπηλαίωσης και των επακόλουθων υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων. Η εγκυρότητα των δεδομένων σύνθετης αντίστασης για τη διεπαφή χάλυβα St-12 / δύο επιστρώσεων PPy / διαβρωτικών μέσων ελέγχθηκε χρησιμοποιώντας τους μετασχηματισμούς KK και παρατηρήθηκαν χαμηλά μέσα σφάλματα.

Οι Hass και Gedanken (2008) ανέφεραν την επιτυχή sono-ηλεκτροχημική σύνθεση μεταλλικών νανοσωματιδίων μαγνησίου. Η αποτελεσματικότητα στη sonoelectrochemical διεργασία του αντιδραστηρίου Gringard σε τετραϋδροφουράνιο (THF) ή σε διάλυμα διβουτυλοδιγλύμης ήταν 41,35% και 33,08%, αντίστοιχα. Η προσθήκη του AlCl3 στο διάλυμα Gringard αύξησε δραματικά την αποτελεσματικότητα, αυξάνοντας την σε 82,70% και 51,69% σε THF ή dibutyldiglyme, αντίστοιχα.

Παραγωγή Sono-ηλεκτροχημικού υδρογόνου

Υπερήχων προωθείται ηλεκτρόλυση αυξάνει σημαντικά την απόδοση υδρογόνου από νερό ή αλκαλικά διαλύματα. Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με την υπερηχητικά επιταχυνόμενη ηλεκτρολυτική σύνθεση υδρογόνου!

Υπερήχων υποβοηθούμενη ηλεκτροσυσσωμάτωση

Η εφαρμογή υπερήχων χαμηλής συχνότητας σε συστήματα ηλεκτροπηξίας είναι γνωστή ως sono-electrocoagulation. Μελέτες δείχνουν ότι η υπερήχηση επηρεάζει την ηλεκτροσυσσωμάτωση θετικά με αποτέλεσμα π.χ., σε υψηλότερη αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης υδροξειδίων σιδήρου από λύματα. Η θετική επίδραση των υπερήχων στην ηλεκτροσυσσωμάτωση εξηγείται από τη μείωση της παθητικοποίησης των ηλεκτροδίων. Ο υπέρηχος χαμηλής συχνότητας, υψηλής έντασης καταστρέφει το εναποτιθέμενο στερεό στρώμα και το αφαιρεί αποτελεσματικά, διατηρώντας έτσι τα ηλεκτρόδια συνεχώς πλήρως ενεργά. Επιπλέον, υπερήχων ενεργοποιεί και τους δύο τύπους ιόντων, δηλαδή κατιόντα και ανιόντα, που υπάρχουν στη ζώνη αντίδρασης ηλεκτροδίων. Υπερήχων ανάδευση έχει ως αποτέλεσμα την υψηλή μικρο-κίνηση του διαλύματος τροφοδοσία και τη μεταφορά της πρώτης ύλης και του προϊόντος προς και από τα ηλεκτρόδια.
Παραδείγματα επιτυχημένων διεργασιών sono-electrocoagulation είναι η μείωση του Cr(VI) σε Cr(III) στα φαρμακευτικά λύματα, η απομάκρυνση του ολικού φωσφόρου από τα λύματα της λεπτής χημικής βιομηχανίας με απόδοση απομάκρυνσης φωσφόρου 99,5% εντός 10 λεπτών, η αφαίρεση χρώματος και COD από τα λύματα της βιομηχανίας χαρτοπολτού και χαρτιού κ.λπ. Οι αναφερόμενες αποδόσεις αφαίρεσης για το χρώμα, το COD, το Cr(VI), το Cu(II) και το P ήταν 100%, 95%, 100%, 97,3% και 99,84%, αντίστοιχα. (πρβλ. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-ηλεκτροχημική αποδόμηση των ρύπων

Υπερήχων προωθείται ηλεκτροχημική οξείδωση ή / και αντιδράσεις μείωσης εφαρμόζονται ως ισχυρή μέθοδος για την αποικοδόμηση χημικών ρύπων. Οι ηχομηχανικοί και sonochemical μηχανισμοί προάγουν την ηλεκτροχημική αποδόμηση των ρύπων. Υπερήχων παράγεται σπηλαίωση οδηγεί σε έντονη ανάδευση, μικρο-ανάμειξη, μεταφορά μάζας και την απομάκρυνση των παθητικοποιητικών στρωμάτων από τα ηλεκτρόδια. Αυτά τα αποτελέσματα σπηλαίωσης έχουν ως αποτέλεσμα κυρίως την ενίσχυση της μεταφοράς μάζας στερεού-υγρού μεταξύ των ηλεκτροδίων και του διαλύματος. Οι ηχοχημικές επιδράσεις επηρεάζουν άμεσα τα μόρια. Η ομολυτική διάσπαση των μορίων δημιουργεί εξαιρετικά δραστικά οξειδωτικά. Σε υδατικά μέσα και παρουσία οξυγόνου, παράγονται ρίζες όπως HO•, HO2• και O•. •Οι ρίζες OH είναι γνωστό ότι είναι σημαντικές για την αποτελεσματική αποσύνθεση των οργανικών υλικών. Συνολικά, η sono-ηλεκτροχημική αποδόμηση παρουσιάζει υψηλή απόδοση και είναι κατάλληλη για την επεξεργασία μεγάλων όγκων ρευμάτων λυμάτων και άλλων μολυσμένων υγρών.
Για παράδειγμα, οι Lllanos et al. (2016) διαπίστωσαν ότι επιτεύχθηκε σημαντική συνεργιστική επίδραση για την απολύμανση του νερού όταν το ηλεκτροχημικό σύστημα εντάθηκε με υπερήχους (sono-ηλεκτροχημική απολύμανση). Αυτή η αύξηση του ποσοστού απολύμανσης βρέθηκε να σχετίζεται με την καταστολή των συσσωματωμάτων των κυττάρων E. coli καθώς και με την ενισχυμένη παραγωγή απολυμαντικών ειδών. 
Οι Esclapez et al. (2010) έδειξαν ότι ένας ειδικά σχεδιασμένος sonoelectrochemical αντιδραστήρας (ωστόσο δεν βελτιστοποιήθηκε) χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια της κλιμάκωσης της υποβάθμισης του τριχλωροξικού οξέος (TCAA), η παρουσία πεδίου υπερήχων που δημιουργήθηκε με το UIP1000hd παρείχε καλύτερα αποτελέσματα (κλασματική μετατροπή 97%, απόδοση αποικοδόμησης 26%, εκλεκτικότητα 0,92 και τρέχουσα απόδοση 8%) σε χαμηλότερες εντάσεις υπερήχων και ογκομετρική ροή. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι ο προ-πιλοτικός sonoelectrochemical αντιδραστήρας δεν είχε ακόμη βελτιστοποιηθεί, είναι πολύ πιθανό ότι αυτά τα αποτελέσματα μπορούν να βελτιωθούν ακόμη περισσότερο.

Υπερήχων βολταμετρία και ηλεκτροαπόθεση

Η ηλεκτροαπόθεση πραγματοποιήθηκε γαλβανικά σε πυκνότητα ρεύματος 15 mA/cm2. Τα διαλύματα υποβλήθηκαν σε υπερήχους πριν από την ηλεκτροαπόθεση για 5-60 λεπτά. Ένα Hielscher UP200S καθετήρα-τύπου υπερήχων χρησιμοποιήθηκε σε χρόνο κύκλου 0,5. Υπερήχους επιτεύχθηκε με άμεση εμβάπτιση του καθετήρα υπερήχων στο διάλυμα. Για να αξιολογηθεί η υπερηχητική επίδραση στο διάλυμα πριν από την ηλεκτροαπόθεση, χρησιμοποιήθηκε κυκλική βολταμετρία (CV) προκειμένου να αποκαλυφθεί η συμπεριφορά του διαλύματος και καθιστά δυνατή την πρόβλεψη ιδανικών συνθηκών ηλεκτροαπόθεσης. Παρατηρείται ότι όταν το διάλυμα υποβάλλεται σε υπερήχους πριν από την ηλεκτροαπόθεση, η εναπόθεση αρχίζει σε λιγότερο αρνητικές τιμές δυναμικού. Αυτό σημαίνει ότι στο ίδιο ρεύμα στο διάλυμα απαιτείται λιγότερο δυναμικό, καθώς τα είδη στο διάλυμα συμπεριφέρονται πιο ενεργά από ό, τι σε μη υπερηχητικά. (πρβλ. Yurdal & Καραχάν 2017)

Ηλεκτροχημικοί ανιχνευτές υψηλής απόδοσης και αντιδραστήρες SonoElectroReactors

Hielscher Υπέρηχοι είναι ο μακροχρόνιος έμπειρος συνεργάτης σας για συστήματα υπερήχων υψηλής απόδοσης. Κατασκευάζουμε και διανέμουμε υπερηχητικούς ανιχνευτές και αντιδραστήρες τελευταίας τεχνολογίας, οι οποίοι χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για εφαρμογές βαρέως τύπου σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Για sonoelectrochemistry, Hielscher έχει αναπτύξει ειδικούς υπερηχητικούς ανιχνευτές, οι οποίοι μπορούν να λειτουργήσουν ως κάθοδος ή / και άνοδος, καθώς και υπερήχων κύτταρα αντιδραστήρα κατάλληλα για ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Τα ηλεκτρόδια και τα κύτταρα υπερήχων είναι διαθέσιμα για γαλβανικά / βολταϊκά καθώς και ηλεκτρολυτικά συστήματα.

Ακριβώς ελεγχόμενα πλάτη για βέλτιστα αποτελέσματα

Όλοι οι επεξεργαστές υπερήχων Hielscher είναι ακριβώς ελεγχόμενοι και ως εκ τούτου αξιόπιστα άλογα εργασίας στο R&D και παραγωγή. Το πλάτος είναι μία από τις κρίσιμες παραμέτρους της διαδικασίας που επηρεάζουν την αποδοτικότητα και την αποτελεσματικότητα των sonochemical και sonomechanically επαγόμενων αντιδράσεων. Όλα Hielscher Υπέρηχοι’ Οι επεξεργαστές επιτρέπουν την ακριβή ρύθμιση του πλάτους. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher μπορούν να παραδώσουν πολύ υψηλά πλάτη και να παραδώσουν την απαιτούμενη υπερηχητική ένταση για απαιτητικές sono-electrochamical εφαρμογές. Πλάτη έως 200μm μπορούν εύκολα να λειτουργούν συνεχώς σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία.
Οι ακριβείς ρυθμίσεις πλάτους και η μόνιμη παρακολούθηση των παραμέτρων της διαδικασίας υπερήχων μέσω έξυπνου λογισμικού σας δίνουν τη δυνατότητα να επηρεάσετε με ακρίβεια τη sonoelectrochemical αντίδραση. Κατά τη διάρκεια κάθε εκτέλεσης υπερήχων, όλες οι παράμετροι υπερήχων καταγράφονται αυτόματα σε μια ενσωματωμένη κάρτα SD, έτσι ώστε κάθε διαδρομή να μπορεί να αξιολογηθεί και να ελεγχθεί. Βέλτιστη υπερήχηση για πιο αποτελεσματικές sonoelectrochemical αντιδράσεις!
Όλος ο εξοπλισμός είναι κατασκευασμένος για χρήση 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα/365 υπό πλήρες φορτίο και η στιβαρότητα και η αξιοπιστία του τον καθιστούν το άλογο εργασίας στην ηλεκτροχημική σας διαδικασία. Αυτό καθιστά τον υπερηχητικό εξοπλισμό της Hielscher ένα αξιόπιστο εργαλείο εργασίας που πληροί τις απαιτήσεις sonoelectrochemical διαδικασίας σας.

Υψηλότερη ποιότητα – Σχεδιασμένο και κατασκευασμένο στη Γερμανία

Ως οικογενειακή επιχείρηση και οικογενειακή επιχείρηση, Hielscher δίνει προτεραιότητα στα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας για τους υπερηχητικούς επεξεργαστές της. Όλοι οι υπερήχων σχεδιάζονται, κατασκευάζονται και ελέγχονται διεξοδικά στην έδρα μας στο Teltow κοντά στο Βερολίνο, Γερμανία. Η ευρωστία και η αξιοπιστία του υπερηχητικού εξοπλισμού Hielscher το καθιστούν άλογο εργασίας στην παραγωγή σας. 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία υπό πλήρες φορτίο και σε απαιτητικά περιβάλλοντα είναι ένα φυσικό χαρακτηριστικό των υψηλής απόδοσης υπερηχητικών ανιχνευτών και αντιδραστήρων της Hielscher.

Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα και πείτε μας για τις απαιτήσεις σας σε ηλεκτροχημικές διεργασίες! Θα σας προτείνουμε τα πιο κατάλληλα ηλεκτρόδια υπερήχων και ρύθμιση αντιδραστήρα!