Electrosonicación – Electrodos ultrasónicos

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

Aplicaciones de los electrodos ultrasónicos

La aplicación de ultrasonidos a los electrodos es una tecnología novedosa que aporta ventajas a numerosos procesos de electrólisis, galvanizado, electropurificación, generación de hidrógeno y electrocoagulación, síntesis de partículas u otras reacciones electroquímicas. Hielscher Ultrasonics dispone de electrodos ultrasónicos para investigación y desarrollo en electrólisis a escala de laboratorio o piloto. Una vez que haya probado y optimizado su proceso electrolítico, puede utilizar los equipos ultrasónicos de Hielscher Ultrasonics de tamaño industrial para trasladar 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 la transformación entre átomos e iones mediante la eliminación o adición de electrones como resultado de la aplicación de una corriente eléctrica. Los productos de la electrólisis pueden encontrarse en un estado físico distinto al del electrolito. La electrólisis puede producir sólidos, como precipitados o capas sólidas en cualquiera de los electrodos. También puede producir gases, como hidrógeno, cloro u oxígeno. La agitación ultrasónica de un electrodo puede desprender depósitos sólidos de su superficie. La desgasificación ultrasónica produce rápidamente burbujas de gas más grandes a partir de gases disueltos de microburbujas. Esto permite separar más rápidamente los productos gaseosos del electrolito.

Equipo ultrasónico UIP2000hdT (2000 vatios, 20 kHz) como cátodo y/o ánodo en una celda electrolítica

Mejora de la transferencia de masa en la superficie del electrodo mediante ultrasonidos

Durante el proceso de electrólisis, los productos se acumulan cerca de los electrodos o sobre su superficie. La agitación ultrasónica es una herramienta muy eficaz para aumentar la transferencia de masa en las capas límite. Este efecto pone el electrolito fresco en contacto con la superficie del electrodo. Las corrientes inducidas por la cavitación transportan los productos de la electrólisis, como gases o sólidos, lejos de la superficie del electrodo. Así se evita la formación de capas aislantes que inhiben el proceso.

Efectos de los ultrasonidos sobre 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 y produce radicales libres u ozono. La combinación de cavitación y electrólisis en una electrólisis mejorada mediante ultrasonidos puede afectar a la tensión mínima necesaria entre el ánodo y el cátodo de una celda electrolítica para que se produzca la electrólisis. Los efectos mecánicos y sonoquímicos de la cavitación también pueden mejorar 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 denominada electroextracción, la electrodeposición de metales a partir de sus minerales puede transformarse en un precipitado sólido. Entre los metales que suelen obtenerse mediante electroobtención se encuentran el plomo, el cobre, el oro, la plata, el zinc, el aluminio, el cromo, el cobalto, el manganeso y los metales de tierras raras y alcalinos.
La ultrasonicación también es un método eficaz para la lixiviación de minerales.

Purificación sonoelectrolítica de líquidos

¡Purifique un líquido, por ejemplo, una solución acuosa como aguas residuales, lodos o similares, haciendo pasar la solución por el campo eléctrico de dos electrodos! La electrólisis puede desinfectar o purificar soluciones acuosas. Al hacer pasar una solución de NaCI junto con agua entre los electrodos o a través de ellos, se genera Cl2 o CIO2, que pueden 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 reducir al mínimo el espesor de la capa límite entre el electrodo y el agua. 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 debida 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 eliminar contaminantes como aceite emulsionado, hidrocarburos totales del petróleo, compuestos orgánicos refractarios, sólidos en suspensión y metales pesados. También pueden eliminarse iones radiactivos para purificar el agua. La incorporación de la ultrasonicación a la electrocoagulación, también conocida como sonoelectrocoagulación, tiene un efecto positivo sobre la eficiencia de reducción de la demanda química de oxígeno o de eliminación de la turbidez. Los procesos de tratamiento que combinan la electrocoagulación con otros métodos han mostrado mejoras considerables en la eliminación de contaminantes de las aguas residuales industriales. La integración de una etapa que produce radicales libres, como la cavitación ultrasónica, con la electrocoagulación muestra sinergias y mejoras en el proceso global de depuración. El objetivo de utilizar estos sistemas híbridos ultrasónicos y electrolíticos es aumentar la eficiencia global del tratamiento y eliminar las desventajas de los procesos de tratamiento convencionales. Se ha demostrado que los reactores híbridos de ultrasonidos y electrocoagulación inactivan Escherichia coli en el agua.

Equipo ultrasónico 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 acción sonoquímica puede aumentar la velocidad de reacción o mejorar los rendimientos de conversión.
Los electrodos agitados mediante ultrasonidos aportan una nueva y potente herramienta para las reacciones químicas. Ahora puede combinar las ventajas de la sonoquímica con la electrólisis. Produzca hidrógeno, iones hidróxido, hipoclorito y muchos otros iones o sustancias neutras directamente en el campo de cavitación ultrasónica. Los productos de la electrólisis pueden actuar como reactivos o reactantes en la reacción química.

Combinación de ultrasonidos con un campo eléctrico pulsado

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

Sonoelectroquímica / Electroquímica ultrasónica

Incorpore la electrólisis mejorada mediante ultrasonidos para producir reactantes o consumir productos de reacciones químicas con el fin de desplazar el equilibrio final de la reacción química o modificar su ruta de reacción.

Configuración recomendada de los electrodos ultrasónicos

El diseño innovador para los ultrasonicadores de sonda convierte un sonotrodo ultrasónico estándar en un electrodo que vibra mediante ultrasonidos. Esto hace que la aplicación de ultrasonidos a los electrodos sea más accesible, más fácil de integrar y fácilmente escalable a niveles de producción. Otros diseños solo agitaban el electrolito entre dos electrodos sin agitación. Los efectos de sombra y los patrones de propagación de las ondas ultrasónicas producen resultados inferiores a los de la agitación directa del electrodo. Puede aplicar vibración ultrasónica a los ánodos o a los cátodos. Por supuesto, puede cambiar la tensión y la polaridad de los electrodos en cualquier momento. Los electrodos de Hielscher Ultrasonics pueden incorporarse fácilmente a instalaciones existentes.

Celda sonoelectrolítica sellada y reactores electroquímicos

Se dispone de un cierre estanco a la presión entre el sonotrodo ultrasónico (electrodo) y el recipiente del reactor. Por tanto, puede operar la celda electrolítica a una presión distinta de la ambiental. La combinación de ultrasonidos y presión se denomina manosonicación. Esto puede resultar interesante si la electrólisis produce gases, cuando se trabaja a temperaturas más altas o con componentes líquidos volátiles. Un reactor electroquímico herméticamente sellado puede funcionar a presiones superiores o inferiores a la ambiental. El cierre entre el electrodo ultrasónico y el reactor puede ser eléctricamente conductor o aislante. Esta última opción permite utilizar las paredes del reactor como segundo electrodo. Por supuesto, el reactor puede disponer de conexiones de entrada y salida para funcionar como un reactor de celda de flujo para procesos continuos. Hielscher Ultrasonics ofrece diversos reactores estandarizados y celdas de flujo con camisa. También puede elegir entre una gama de adaptadores para acoplar los sonotrodos Hielscher a su reactor electroquímico.

Disposición concéntrica en un reactor tubular

Si el electrodo agitado mediante ultrasonidos se encuentra cerca de un segundo electrodo sin agitación o de una pared del reactor, las ondas ultrasónicas se propagan por el líquido y actúan también sobre las demás superficies. Un electrodo agitado mediante ultrasonidos y dispuesto 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 Hielscher estándar como electrodos, la temperatura del electrolito puede estar entre 0 y 80 grados Celsius. Bajo pedido, se dispone de sonotrodos para otras temperaturas del electrolito en el intervalo de -273 grados Celsius a 500 grados Celsius. La combinación de ultrasonidos y temperatura se denomina termosonicación.

Viscosidad

Si la viscosidad del electrolito dificulta la transferencia de masa, la mezcla mediante agitación ultrasónica durante la electrólisis podría resultar beneficiosa, ya que mejora la transferencia de material hacia los electrodos y desde ellos.

Sonoelectrólisis con corriente pulsante

La corriente pulsante aplicada a los electrodos agitados mediante ultrasonidos genera productos distintos de los obtenidos con corriente continua (DC). Por ejemplo, la corriente pulsante puede aumentar la proporción de ozono respecto al oxígeno producido en el ánodo durante la electrólisis de una solución acuosa ácida, como ácido sulfúrico diluido. La electrólisis del etanol con corriente pulsada produce un aldehído en lugar de producir principalmente un ácido.

Equipos para electrosonicación

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

Electrodos ultrasónicos (sonotrodos)

Los sonotrodos están eléctricamente aislados del generador ultrasónico. Por tanto, puede aplicar una tensión eléctrica al sonotrodo ultrasónico para que actúe como electrodo. La separación estándar de aislamiento eléctrico entre los sonotrodos y el contacto de tierra es de 2,5 mm. Por tanto, podría aplicar hasta 2500 voltios al sonotrodo. Los sonotrodos estándar son macizos y están fabricados en titanio. Por ello, prácticamente no hay restricciones para la corriente del electrodo. El titanio presenta una buena resistencia a la corrosión frente a muchos electrolitos alcalinos o ácidos. También pueden utilizarse otros materiales para los sonotrodos, como aluminio (Al), acero (Fe), acero inoxidable, níquel-cromo-molibdeno o niobio. Hielscher ofrece sonotrodos económicos que actúan como ánodos de sacrificio, fabricados, por ejemplo, en aluminio o acero.

Generador ultrasónico, fuente de alimentación

El generador ultrasónico no necesita ninguna modificación y utiliza una toma de corriente estándar con conexión a tierra. Por supuesto, la bocina del transductor y todas las superficies exteriores del transductor y del generador están conectadas a la tierra de la toma de corriente. El sonotrodo y un elemento de sujeción son las únicas piezas conectadas a la tensión del electrodo. Esto facilita el diseño de la instalación. Puede conectar el sonotrodo a corriente continua (DC), corriente continua pulsante o corriente alterna (AC). Los electrodos ultrasónicos pueden funcionar como ánodos o cátodos.

Equipos de producción para procesos de electrosonicación

Puede utilizar cualquier equipo ultrasónico Hielscher, como UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT o UIP4000hdT, para acoplar hasta 4000 vatios de potencia ultrasónica a cualquier sonotrodo estándar o cascatrode. La intensidad ultrasónica en la superficie del sonotrodo puede estar entre 1 vatio y 100 vatios vatio por centímetro cuadrado. Se dispone de distintas geometrías de sonotrodo con amplitudes de 1 micrómetro a 150 micrómetros (pico a pico). La frecuencia ultrasónica de 20 kHz es muy eficaz para generar cavitación y corrientes acústicas en el electrolito. Los equipos ultrasónicos Hielscher pueden funcionar 24 horas al día, siete días a la semana. Puede trabajar de forma continua a plena potencia de salida o en modo pulsante, por ejemplo, para limpiar periódicamente los electrodos. Hielscher Ultrasonics puede suministrar electrodos ultrasónicos con hasta 16 kilovatios de potencia ultrasónica (agitación mecánica) por electrodo. Prácticamente no hay límite para la potencia eléctrica que puede aplicar a los electrodos.

Una cosa más: pulverización sonoelectrostática

Hielscher Ultrasonics fabrica equipos para pulverizar, nebulizar, atomizar o aerosolizar líquidos. El sonotrodo de pulverización ultrasónica puede conferir una carga positiva a la niebla líquida o a los aerosoles. Esto combina la pulverización ultrasónica con la tecnología de pulverización electrostática, por ejemplo, para procesos de recubrimiento.

Bibliografía / Referencias

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