Electro-sonicación – Electrodos ultrasónicos

La electrosonicación es la combinación de los efectos de la electricidad con los efectos de la sonicación. Hielscher Ultrasonics ha desarrollado un nuevo y elegante método para utilizar cualquier sonotrodo como electrodo. Esto coloca la potencia de los ultrasonidos directamente en la interfaz entre el electrodo ultrasónico y el líquido. Allí puede promover la electrólisis, mejorar la transferencia de masa y romper capas límite o depósitos. Hielscher suministra equipos de producción para procesos de ultrasonidos por lotes y en línea a cualquier escala. Puede combinar la electrosonicación con la mano-sonicación (presión) y la termosonicación (temperatura).

Aplicaciones de los electrodos ultrasónicos

La aplicación de ultrasonidos a electrodos es una tecnología novedosa con beneficios para muchos procesos diferentes en electrólisis, galvanizado, electro-purificación, generación de hidrógeno y electro-coagulación, síntesis de partículas u otras reacciones electro-químicas. Hielscher Ultrasonics tiene electrodos ultrasónicos fácilmente disponibles para la investigación y el desarrollo a escala de laboratorio o electrólisis a escala piloto. Después de que haya probado y optimizado su proceso electrolítico, puede utilizar el equipo de ultrasonido de tamaño de producción de Hielscher Ultrasonics para escalar los resultados de su proceso a niveles de producción industrial. A continuación, encontrará sugerencias y recomendaciones para el uso de electrodos ultrasónicos.

Sonoelectrólisis (electrólisis ultrasónica)

La electrólisis es el intercambio de átomos e iones mediante la eliminación o adición de electrones resultante de la aplicación de una corriente eléctrica. Los productos de la electrólisis pueden tener un estado físico diferente del electrolito. La electrólisis puede producir sólidos, como precipitados o capas sólidas en cualquiera de los electrodos. Alternativamente, la electrólisis puede producir gases, como hidrógeno, cloro u oxígeno. La agitación ultrasónica de un electrodo puede romper los depósitos sólidos de la superficie del electrodo. La desgasificación ultrasónica produce rápidamente burbujas de gas más grandes a partir de gases disueltos de microburbujas. Esto conduce a una separación más rápida de los productos gaseosos del electrolito.

Ultrasonic UIP2000hdT (2000 vatios, 20 kHz) como cátodo y/o ánodo en una célula electrolítica

Transferencia de masa mejorada por ultrasonidos en la superficie del electrodo

Durante el proceso de electrólisis, los productos se acumulan cerca de los electrodos o en su superficie. La agitación ultrasónica es una herramienta muy eficaz para aumentar la transferencia de masa en las capas límite. Este efecto pone en contacto electrolito fresco con la superficie del electrodo. La corriente cavitacional transporta los productos de la electrólisis, como gases o sólidos, lejos de la superficie del electrodo. De este modo se evita la formación de capas aislantes.

Efectos de los ultrasonidos en el potencial de descomposición

La agitación ultrasónica del ánodo, del cátodo o de ambos electrodos puede afectar al potencial de descomposición o a la tensión de descomposición. Se sabe que la cavitación por sí sola rompe moléculas, produce radicales libres u ozono. La combinación de la cavitación con la electrólisis en una electrólisis mejorada por ultrasonidos puede afectar a la tensión mínima necesaria entre el ánodo y el cátodo de una célula electrolítica para que se produzca la electrólisis. Los efectos mecánicos y sonoquímicos de la cavitación pueden mejorar también la eficiencia energética de la electrólisis.

Ultrasonidos en la electrorrefinación y la electroobtención

En el proceso de electrorrefinación, los depósitos sólidos de metales, como el cobre, pueden convertirse en una suspensión de partículas sólidas en el electrolito. En la electroobtención, también llamada electroextracción, la electrodeposición de metales de sus menas puede convertirse en precipitados sólidos. Los metales de electroobtención más comunes son el plomo, el cobre, el oro, la plata, el zinc, el aluminio, el cromo, el cobalto, el manganeso y los metales alcalinos y de tierras raras. La ultrasonicación también es un medio eficaz para la lixiviación de minerales.

Purificación sonoelectrolítica de líquidos

Purifique un líquido, por ejemplo una solución acuosa como aguas residuales, lodos o similares, conduciendo la solución a través del campo eléctrico de dos electrodos. La electrólisis puede desinfectar o purificar soluciones acuosas. Al introducir una solución de NaCI junto con agua a través de electrodos o entre electrodos, se genera Cl2 o CIO2, que puede oxidar las impurezas y desinfectar el agua o las soluciones acuosas. Si el agua contiene suficientes cloruros naturales, no es necesario añadirlos.
Las vibraciones ultrasónicas del electrodo pueden conseguir que la capa límite entre el electrodo y el agua sea lo más fina posible. Esto puede mejorar la transferencia de masa en muchos órdenes de magnitud. La vibración ultrasónica y la cavitación reducen significativamente la formación de burbujas microscópicas debidas a la polarización. El uso de electrodos ultrasónicos para la electrólisis mejora considerablemente el proceso de purificación electrolítica.

Sonoelectrocoagulación (electrocoagulación ultrasónica)

La electrocoagulación es un método de tratamiento de aguas residuales para la eliminación de contaminantes, como aceite emulsionado, hidrocarburos totales de petróleo, sustancias orgánicas refractarias, sólidos en suspensión y metales pesados. También se pueden eliminar los iones radiactivos para purificar el agua. La adición de la electrocoagulación por ultrasonidos, también conocida como sonoelectrocoagulación, tiene un efecto positivo sobre la demanda química de oxígeno o la eficacia de eliminación de la turbidez. Los procesos de tratamiento combinados de electrocoagulación han demostrado un rendimiento muy superior en la eliminación de contaminantes de las aguas residuales industriales. La integración de una etapa productora de radicales libres, como la cavitación ultrasónica, con la electrocoagulación muestra sinergias y mejoras en el proceso global de limpieza. El objetivo de emplear estos sistemas híbridos ultrasónicos-electrolíticos es aumentar la eficacia global del tratamiento y eliminar los inconvenientes de los procesos de tratamiento convencionales. Se ha demostrado que los reactores híbridos de ultrasonidos y electrocoagulación inactivan la Escherichia coli en el agua.

Ultrasonidos UIP2000hdT (2000 vatios, 20 kHz) como sonocátodo y/o sonoánodo en un tanque

Generación sonoelectrolítica in situ de reactivos o reactantes

Muchos procesos químicos, como las reacciones heterogéneas o la catálisis, se benefician de la agitación ultrasónica y la cavitación ultrasónica. La influencia sonoquímica puede aumentar la velocidad de reacción o mejorar los rendimientos de conversión.
Los electrodos agitados por ultrasonidos añaden una nueva y potente herramienta a las reacciones químicas. Ahora puede combinar las ventajas de la sonoquímica con la electrólisis. Produzca hidrógeno, iones de hidróxido, hipoclorito y muchos otros iones o materiales neutros justo en el campo de cavitación ultrasónica. Los productos de la electrólisis pueden actuar como reactivos o como reactantes de la reacción química.

Combinación de ultrasonidos con campo eléctrico pulsado

La combinación de campo eléctrico pulsado (PEF) y ultrasonidos (US) tiene efectos positivos para la extracción de compuestos fisicoquímicos, bioactivos y la estructura química de los extractos. En la extracción de almendras, el tratamiento combinado (PEF-US) ha producido los niveles más altos de fenólicos totales, flavonoides totales, taninos condensados, contenido de antocianinas y actividad antioxidante. Se redujo la potencia y la actividad quelante de metales.
Los ultrasonidos (US) y el campo eléctrico pulsado (PEF) pueden emplearse para mejorar la eficacia y los índices de producción en los procesos de fermentación mediante la mejora de la transferencia de masa y la permeabilidad celular.
La combinación del tratamiento con campos eléctricos pulsados y ultrasonidos influye en la cinética del secado al aire y en la calidad de las hortalizas secas, como las zanahorias. El tiempo de secado puede reducirse entre un 20 y un 40%, manteniendo las propiedades de rehidratación.

Sonoelectroquímica / Electroquímica ultrasónica

Añadir electrólisis mejorada por ultrasonidos para producir reactivos o consumir productos de reacciones químicas con el fin de desplazar el equilibrio final de la reacción química o alterar la vía de reacción química.

Configuración sugerida de los electrodos ultrasónicos

El innovador diseño de los ultrasonicadores tipo sonda convierte un sonotrodo ultrasónico estándar en un electrodo que vibra por ultrasonidos. Esto hace que los ultrasonidos para electrodos sean más accesibles, fáciles de integrar y fácilmente escalables a niveles de producción. Otros diseños sólo agitaban el electrolito entre dos electrodos no agitados. Las sombras y los patrones de propagación de las ondas ultrasónicas producen resultados inferiores en comparación con la agitación directa de los electrodos. Se puede añadir vibración ultrasónica a los ánodos o a los cátodos, respectivamente. Por supuesto, puede cambiar la tensión y la polaridad de los electrodos en cualquier momento. Los electrodos de Hielscher Ultrasonics son fáciles de adaptar a las configuraciones existentes.

Célula sonoelectrolítica sellada y reactores electroquímicos

Existe un cierre hermético a la presión entre el sonotrodo ultrasónico (electrodo) y el recipiente del reactor. Por lo tanto, se puede hacer funcionar la célula electrolítica a una presión distinta de la ambiental. La combinación de ultrasonidos con presión se denomina mano-sonicación. Esto puede ser interesante si la electrólisis produce gases, cuando se trabaja a temperaturas más elevadas o cuando se trabaja con componentes líquidos volátiles. Un reactor electroquímico herméticamente cerrado puede funcionar a presiones superiores o inferiores a la presión ambiente. El sellado entre el electrodo ultrasónico y el reactor puede hacerse eléctricamente conductor o aislante. Esto último permite hacer funcionar las paredes del reactor como un segundo electrodo. Por supuesto, el reactor puede tener puertos de entrada y salida para actuar como reactor de celda de flujo para procesos continuos. Hielscher Ultrasonics ofrece una variedad de reactores estandarizados y celdas de flujo encamisadas. Alternativamente, puede elegir entre una gama de adaptadores para ajustar los sonotrodos Hielscher a su reactor electroquímico.

Disposición concéntrica en el reactor de tubos

Si el electrodo agitado por ultrasonidos está cerca de un segundo electrodo no agitado o cerca de una pared del reactor, las ondas ultrasónicas se propagan a través del líquido y las ondas ultrasónicas actuarán también sobre las otras superficies. Un electrodo agitado por ultrasonidos que esté orientado concéntricamente en una tubería o en un reactor puede mantener las paredes interiores libres de incrustaciones o de sólidos acumulados.

temperatura

Cuando se utilizan sonotrodos estándar de Hielscher como electrodos, la temperatura del electrolito puede oscilar entre 0 y 80 grados Celsius. Los sonotrodos para otras temperaturas del electrolito en el rango de -273 grados Celsius a 500 grados Celsius están disponibles bajo pedido. La combinación de ultrasonidos con temperatura se denomina termosonicación.

viscosidad

Si la viscosidad del electrolito inhibe la transferencia de masa, la mezcla por agitación ultrasónica durante la electrólisis podría ser beneficiosa, ya que mejora la transferencia del material hacia y desde los electrodos.

Sonoelectrólisis con corriente pulsante

La corriente pulsante en los electrodos agitados ultrasónicamente da lugar a productos diferentes de la corriente continua (CC). Por ejemplo, la corriente pulsante puede aumentar la proporción entre ozono y oxígeno producida en el ánodo en la electrólisis de una solución ácida acuosa, por ejemplo, ácido sulfúrico diluido. La electrólisis con corriente pulsada del etanol produce un aldehído en lugar de principalmente un ácido.

Equipos de ultrasonidos

Hielscher Ultrasonics ha desarrollado una actualización sonoelectroquímica especial para los transductores industriales. El transductor mejorado funciona con casi todos los tipos de sonotrodos Hielscher.

Electrodos ultrasónicos (sonotrodos)

Los sonotrodos están aislados eléctricamente del generador de ultrasonidos. Por lo tanto, puede conectar el sonotrodo ultrasónico a una tensión eléctrica, de modo que el sonotrodo pueda actuar como electrodo. El espacio de aislamiento eléctrico estándar entre los sonotrodos y el contacto de tierra es de 2,5 mm. Por lo tanto, se pueden aplicar hasta 2500 voltios al sonotrodo. Los sonotrodos estándar son sólidos y están hechos de titanio. Por lo tanto, no hay casi ninguna restricción a la corriente del electrodo. El titanio muestra una buena resistencia a la corrosión frente a muchos electrolitos alcalinos o ácidos. Es posible utilizar materiales de sonotrodo alternativos, como aluminio (Al), acero (Fe), acero inoxidable, níquel-cromo-molibdeno o niobio. Hielscher ofrece sonotrodos de ánodo de sacrificio económicos, por ejemplo de aluminio o acero.

Generador de ultrasonidos, fuente de alimentación

El generador de ultrasonidos no necesita ninguna modificación y utiliza una toma de corriente estándar con toma de tierra. La bocina del transductor y todas las superficies exteriores del transductor y del generador están conectadas a tierra de la toma de corriente, por supuesto. El sonotrodo y un elemento de refuerzo son las únicas partes conectadas a la tensión del electrodo. Esto facilita el diseño del montaje. Puede conectar el sonotrodo a corriente continua (CC), corriente continua pulsante o corriente alterna (CA). Los electrodos ultrasónicos pueden funcionar como ánodos o cátodos, respectivamente.

Equipos de producción para procesos de ultrasonidos

Puede utilizar cualquier dispositivo ultrasónico Hielscher, como UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT o UIP4000hdT para acoplar hasta 4000 vatios de potencia ultrasónica a cualquier sonotrodo o cascatrodo estándar. La intensidad ultrasónica en la superficie del sonotrodo puede oscilar entre 1 vatio y 100 vatios por centímetro cuadrado. Se dispone de diferentes geometrías de sonotrodo con amplitudes de 1 micra a 150 micras (pico-pico). La frecuencia ultrasónica de 20 kHz es muy eficaz para generar cavitación y corrientes acústicas en el electrolito. Los dispositivos ultrasónicos Hielscher pueden funcionar 24 horas al día, siete días a la semana. Pueden funcionar de forma continua a plena potencia o pulsar, por ejemplo, para la limpieza periódica de los electrodos. Hielscher Ultrasonics puede suministrar electrodos ultrasónicos con hasta 16 kilovatios de potencia ultrasónica (agitación mecánica) por electrodo individual. La potencia eléctrica que se puede conectar a los electrodos es prácticamente ilimitada.

Una cosa más: la pulverización sonoelectroestática

Hielscher Ultrasonics fabrica equipos para la pulverización, nebulización, atomización o aerosolización de líquidos. El sonotrodo de pulverización ultrasónica puede dar a la niebla líquida o a los aerosoles una carga positiva. De este modo, se combina la pulverización ultrasónica con la tecnología de pulverización electrostática, por ejemplo, para procesos de revestimiento.