Tecnología de ultrasonido de Hielscher

La Electroquímica de Sonido y sus ventajas

Aquí encontrará todo lo que necesita saber sobre la electroquímica ultrasónica (sonoelectroquímica): principio de funcionamiento, aplicaciones, ventajas y equipo de sonoelectroquímica – toda la información relevante sobre la sonoelectroquímica en una página.

¿Por qué aplicar los ultrasonidos a la electroquímica?

La combinación de ondas de ultrasonido de baja frecuencia y alta intensidad con sistemas electroquímicos tiene múltiples beneficios, que mejoran la eficiencia y la tasa de conversión de las reacciones electroquímicas.

El principio de funcionamiento de la Ultrasonido

Para el procesamiento ultrasónico de alto rendimiento, un generador de ultrasonidos genera ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia y los transmite a través de una sonda ultrasónica (sonotrodo) a un líquido. Los ultrasonidos de alta potencia se consideran ultrasonidos en el rango de 16-30kHz. La sonda de ultrasonidos se expande y contrae, por ejemplo, a 20kHz, transmitiendo así respectivamente 20.000 vibraciones por segundo al medio. Cuando las ondas ultrasónicas viajan a través del líquido, los ciclos alternados de alta presión (compresión) / baja presión (rarefacción o expansión) crean diminutas burbujas o cavidades de vacío, que crecen a lo largo de varios ciclos de presión. Durante la fase de compresión del líquido y las burbujas, la presión es positiva, mientras que la fase de rarefacción produce un vacío (presión negativa). Durante los ciclos de compresión-expansión, las cavidades del líquido crecen hasta que alcanzan un tamaño en el que no pueden absorber más energía. En este punto, implosionan violentamente. La implosión de esas cavidades da lugar a varios efectos altamente energéticos, que se conocen como el fenómeno de cavitación acústica / ultrasónica. La cavitación acústica se caracteriza por múltiples efectos altamente energéticos, que impactan en los líquidos, los sistemas sólido/líquido y los sistemas gas/líquido. La zona densa en energía o zona cavitacional se conoce como zona de punto caliente, que es más densa en energía en las cercanías de la sonda ultrasónica y disminuye con el aumento de la distancia del sonotrodo. Las principales características de la cavitación ultrasónica incluyen temperaturas y presiones muy elevadas que se producen localmente y los respectivos diferenciales, turbulencias y corrientes de líquido. Durante la implosión de las cavidades ultrasónicas en los puntos calientes ultrasónicos pueden medirse temperaturas de hasta 5000 Kelvin, presiones de hasta 200 atmósferas y chorros de líquido de hasta 1000km/h. Estas excepcionales condiciones de alta intensidad energética contribuyen a los efectos sonomecánicos y sonoquímicos que intensifican los sistemas electroquímicos de varias maneras.

Ultrasonic electrodes for sonoelectrochemical applications such as nanoparticle synthesis (electrosynthesis), hydrogen synthesis, electrocoagulation, wastewater treatment, breaking emulsions, electroplating / electrodeposition

Las sondas de los procesadores ultrasónicos UIP2000hdT (2000 vatios, 20kHz) actúan como cátodo y ánodo en una célula electrolítica

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Efectos de los ultrasonidos en las reacciones electroquímicas

  • Aumenta la transferencia de masa
  • Erosión / dispersión de sólidos (electrolitos)
  • Alteración de los límites sólido/líquido
  • Ciclos de alta presión

Los efectos de la Ultrasonido en los sistemas electroquímicos

La aplicación de la ecografía a las reacciones electroquímicas es conocida por sus diversos efectos sobre los electrodos, es decir, el ánodo y el cátodo, así como sobre la solución electrolítica. La cavitación ultrasónica y la corriente acústica generan importantes micromovimientos, que inciden en los chorros de líquido y en la agitación del líquido de la reacción. Esto da lugar a una mejora de la hidrodinámica y del movimiento de la mezcla líquido/sólido. La cavitación ultrasónica reduce el grosor efectivo de la capa de difusión en un electrodo. Una capa de difusión reducida significa que la sonicación minimiza la diferencia de concentración, lo que significa que la convergencia de la concentración en las proximidades de un electrodo y el valor de la concentración en la solución a granel se promueven por ultrasonidos. La influencia de la agitación ultrasónica en los gradientes de concentración durante la reacción asegura la alimentación permanente de solución fresca al electrodo y el arrastre del material reaccionado. Esto significa que la sonicación mejora la cinética general acelerando la velocidad de reacción y aumentando el rendimiento de la reacción.
Mediante la introducción de energía ultrasónica en el sistema, así como la formación sonoquímica de radicales libres, se puede iniciar una reacción electroquímica que de otro modo habría sido electroinactiva. Another importante efecto de la vibración acústica y la corriente es el efecto de limpieza en las superficies de los electrodos. Las capas pasivas y el ensuciamiento en los electrodos limitan la eficiencia y la velocidad de reacción de las reacciones electroquímicas. La ultrasonificación mantiene los electrodos permanentemente limpios y totalmente activos para la reacción.Ultrasonication es bien conocido por sus efectos desgasificadores, que también son beneficiosos en las reacciones electroquímicas. Eliminando los gases no deseados del líquido, la reacción puede ser más eficaz.

Beneficios de la electroquímica promovida por ultrasonido

  • Aumento de los rendimientos electroquímicos
  • Velocidad de reacción electroquímica mejorada
  • Mejora de la eficiencia general
  • Capas de difusión reducidas
  • Mejora de la transferencia de masa en el electrode
  • Activación de la superficie en el electrodo
  • Eliminación de las capas pasivas y el ensuciamiento
  • Electrodo reducido overpotentials
  • Desgasificación eficiente de la solución
  • Calidad superior de la galvanoplastia
Ultrasonic electrodes improve the efficiency, yield and conversion rate of electrochemical processes.

La sonda ultrasónica funciona como electrodo. Las ondas de ultrasonido promueven reacciones electroquímicas que dan como resultado una mayor eficiencia, mayores rendimientos y tasas de conversión más rápidas.
Cuando la sonicación se combina con la electroquímica, esto es sono-electroquímica.

Aplicaciones de la Sonoelectroquímica

La sonoelectroquímica puede aplicarse a varios procesos y en diferentes industrias. Las aplicaciones muy comunes de la sonoelectroquímica incluyen lo siguiente:

  • Síntesis de nanopartículas (electrosíntesis)
  • Síntesis de hidrógeno
  • Electrocoagulación
  • Tratamiento de las aguas residuales
  • Emulsiones de ruptura
  • Electrodeposición / Electrodeposición

Síntesis sono-electroquímica de nanopartículas

La ecografía se aplicó con éxito para sintetizar varias nanopartículas en un sistema electroquímico. Se han producido con éxito nanotubos de magnetita, cadmio-selenio (CdSe), nanopartículas de platino (NP), NP de oro, magnesio metálico, bismuto, nanoplata, cobre ultrafino, nanopartículas de aleación de tungsteno y cobalto (W-Co), nanocompuesto de samaria y óxido de grafeno reducido, nanopartículas de cobre con capa de poli(ácido acrílico) de menos de un nanómetro de espesor y muchos otros polvos de tamaño nanométrico mediante la sonoelectroquímica.
Las ventajas de la síntesis sonoelectroquímica de nanopartículas incluyen la

  • evitar los agentes reductores y los surfactantes
  • uso del agua como disolvente
  • ajuste del tamaño de las nanopartículas mediante parámetros variables (potencia ultrasónica, densidad de corriente, potencial de deposición y los tiempos de pulso ultrasónico vs. electroquímico)

Ashasssi-Sorkhabi y Bagheri (2014) sintetizaron películas de polipropileno por vía sonoelectroquímica y compararon los resultados con las películas de polipropileno sintetizadas electroquímicamente. Los resultados muestran que la sonoelectrodeposición galvanoestática produjo una película de polipirrol (PPy) fuertemente adherida y lisa sobre acero, con una densidad de corriente de 4 mA cm-2 en una solución de pirrol de 0,1 M de ácido oxálico/0,1 M. Utilizando la polimerización sonoelectroquímica, obtuvieron películas de PPy de alta resistencia y dureza con superficie lisa. Se ha demostrado que los recubrimientos de PPy preparados por la sonoelectroquímica proporcionan una protección sustancial contra la corrosión al acero St-12. El revestimiento sintetizado era uniforme y mostraba una alta resistencia a la corrosión. Todos estos resultados pueden atribuirse al hecho de que los ultrasonidos mejoraron la transferencia de masa de los reactivos y causaron altas tasas de reacción química a través de la cavitación acústica y las altas temperaturas y presiones resultantes. La validez de los datos de impedancia para la interfaz acero St-12/dos revestimientos de PPy/medios corrosivos se comprobó utilizando las transformadas KK, y se observaron errores medios bajos.

Hass y Gedanken (2008) informaron del éxito de la síntesis sono-electroquímica de las nanopartículas de magnesio metálico. Las eficiencias en el proceso sonoelectroquímico del reactivo Gringard en tetrahidrofurano (THF) o en una solución de dibutildiglicolima fueron de 41,35% y 33,08%, respectivamente. La adición de AlCl3 a la solución de Gringard aumentó la eficiencia de forma drástica, elevándola al 82,70% y 51,69% en el THF o en el dibutildiglicolme, respectivamente.

Producción de Hidrógeno por vía electroquímica y sonora

La electrólisis promovida por ultrasonido aumenta significativamente el rendimiento de hidrógeno del agua o de las soluciones alcalinas. Haga clic aquí para leer más sobre la síntesis de hidrógeno electrolítico acelerada por ultrasonidos.

Electrocoagulación asistida por ultrasonidos

The application of low-frequency ultrasound to electrocoagulcation systems is known as sono-electrocoagulation. Studies show that sonication influences electrocoagulation positively resulting e.g., in higher removal efficiency of iron hydroxides from wastewater. The positive impact of ultrasonics on electrocoagulation is explained by the reduction of electrode passivation. Low-frequency, high-intensity ultrasound destructs deposited solid layer and removes them efficiently, thereby keeping the electrodes continuously fully active. Furthermore, ultrasonics activates both ion types, i.e. cations and anions, present in the electrodes reaction zone. Ultrasonic agitation results in high micro-movement of the solution feeding and carrying away raw material and product to and from the electrodes.
Ejemplos de procesos de electrocoagulación por ultrasonido que han tenido éxito son la reducción de Cr(VI) a Cr(III) en las aguas residuales farmacéuticas, la eliminación del fósforo total de los efluentes de la industria de química fina con una eficiencia de eliminación de fósforo del 99,5% en 10 minutos, la eliminación del color y la DQO de los efluentes de la industria de la pulpa y el papel, etc. Las eficiencias de remoción reportadas para el color, DQO, Cr(VI), Cu(II) y P fueron de 100%, 95%, 100%, 97.3% y 99.84%, respectivamente. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradación sono-electroquímica de contaminantes

Las reacciones de oxidación y/o reducción electroquímica promovidas por ultrasonido se aplican como un método poderoso para degradar el contaminante químico. Los mecanismos sonomecánicos y sonoquímicos promueven la degradación electroquímica de los contaminantes. La cavitación generada por ultrasonidos da lugar a una intensa agitación, micromezcla, transferencia de masa y la eliminación de las capas pasivas de los electrodos. Estos efectos de la cavitación dan lugar principalmente a un aumento de la transferencia de masa sólido-líquida entre los electrodos y la solución. Los efectos sonoquímicos impactan directamente en las moléculas. La división homolítica de las moléculas crea oxidantes altamente reactivos. En medios acuosos y en presencia de oxígeno, se producen radicales como HO-, HO2- y O-. -Los radicales HO- son conocidos por ser importantes para la descomposición eficiente de materiales orgánicos. En general, la degradación sono-electroquímica muestra una alta eficiencia y es adecuada para el tratamiento de grandes volúmenes de corrientes de aguas residuales y otros líquidos contaminados.
Por ejemplo, Lllanos y otros (2016) descubrieron que se obtenía un importante efecto sinérgico para la desinfección del agua cuando se intensificaba el sistema electroquímico mediante la sonicación (desinfección sono-electroquímica). Se descubrió que este aumento de la tasa de desinfección estaba relacionado con la supresión de los agregados celulares de E. coli, así como con una mayor producción de especies desinfectantes. Esclapez y otros (2010) mostraron que un reactor sonoelectroquímico específicamente diseñado (aunque no optimizado) se utilizó durante el escalado de la degradación del ácido tricloroacético (TCAA), la presencia de un campo de ultrasonidos generado con el UIP1000hd proporcionó mejores resultados (conversión fraccional 97%, eficiencia de degradación 26%, selectividad 0,92 y eficiencia de corriente 8%) a menores intensidades ultrasónicas y flujo volumétrico. Teniendo en cuenta el hecho de que el reactor sonoelectroquímico pre-piloto no fue optimizado todavía, es muy probable que estos resultados puedan mejorarse aún más.

Voltamperometría ultrasónica y electrodeposición

La electrodeposición se llevó a cabo galvánicamente a una densidad de corriente de 15 mA/cm2. Las soluciones fueron sometidas a ultrasonido antes de la electrodeposición durante 5-60 minutos. Un Hielscher El ultrasonido tipo sonda UP200S se usó en un tiempo de ciclo de 0,5. La ecografía se logró sumergiendo directamente la sonda de ultrasonido en la solución. Para evaluar el impacto de los ultrasonidos en la solución antes de la electrodeposición, se utilizó la voltamperometría cíclica (CV) con el fin de revelar el comportamiento de la solución y permite predecir las condiciones ideales para la electrodeposición. Se observa que cuando la solución se somete a ultrasonido antes de la electrodeposición, la deposición comienza con valores potenciales menos negativos. Esto significa que a la misma corriente en la solución se requiere menos potencial, ya que las especies en la solución se comportan más activas que en las no ultrasonificadas. (cf. Yurdal & Karahan 2017)

UIP2000hdT ultrasónico (2000 vatios, 20kHz) como cátodo y/o ánodo en un tanque

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Sondas electroquímicas de alto rendimiento y sonorreactores

Hielscher Ultrasonics es su socio con larga experiencia en sistemas de ultrasonidos de alto rendimiento. Fabricamos y distribuimos sondas y reactores ultrasónicos de última generación, que se utilizan en todo el mundo para aplicaciones de uso intensivo en entornos exigentes. Para la sonoelectroquímica, Hielscher ha desarrollado sondas ultrasónicas especiales, que pueden actuar como cátodo y/o ánodo, así como celdas de reactor ultrasónico adecuadas para reacciones electroquímicas. Los electrodos y celdas de ultrasonido están disponibles para sistemas galvánicos/voltáicos así como electrolíticos.

Amplitudes controlables con precisión para resultados óptimos

Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.Todos los procesadores ultrasónicos de Hielscher son controlables con precisión y, por lo tanto, caballos de trabajo fiables en R&D y producción. La amplitud es uno de los parámetros de proceso cruciales que influyen en la eficiencia y la eficacia de las reacciones inducidas por medios sonoquímicos y sonomecánicos. Todos los ultrasonidos de Hielscher’ Los procesadores permiten el ajuste preciso de la amplitud. Los procesadores industriales de ultrasonidos de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy altas y ofrecer la intensidad ultrasónica requerida para aplicaciones sono-electroquímicas exigentes. Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente operadas continuamente en operación 24/7.
Los ajustes de amplitud precisos y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante un software inteligente le dan la posibilidad de influir con precisión en la reacción sonoelectroquímica. Durante cada ciclo de sonicación, todos los parámetros ultrasónicos se registran automáticamente en una tarjeta SD incorporada, de modo que cada ciclo puede ser evaluado y controlado. ¡Sonicación óptima para las reacciones sonoelectroquímicas más eficientes!
Todos los equipos están construidos para su uso 24/7/365 bajo carga completa y su robustez y fiabilidad los convierten en el caballo de batalla de su proceso electroquímico. Esto hace que el equipo ultrasónico de Hielscher sea una herramienta de trabajo fiable que cumple con los requisitos de su proceso sonoelectroquímico.

La más alta calidad – Diseñado y fabricado en Alemania

Como empresa familiar, Hielscher da prioridad a los más altos estándares de calidad para sus procesadores de ultrasonidos. Todos los ultrasonidos se diseñan, fabrican y prueban a fondo en nuestra sede en Teltow, cerca de Berlín, Alemania. La robustez y fiabilidad de los equipos de ultrasonidos de Hielscher los convierten en un caballo de batalla en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica natural de las sondas y reactores ultrasónicos de alto rendimiento de Hielscher.

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.

Literatura / Referencias