Sonoelectroquímica y sus ventajas

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

¿Por qué aplicar los ultrasonidos a la electroquímica?

La combinación de ondas ultrasónicas de baja frecuencia y alta intensidad con sistemas electroquímicos aporta múltiples ventajas, que mejoran la eficacia y la tasa de conversión de las reacciones electroquímicas.

El principio de funcionamiento de los ultrasonidos

Para el procesamiento por ultrasonidos de alto rendimiento, se generan ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia mediante un generador de ultrasonidos y se transmiten a través de una sonda ultrasónica (sonotrodo) a un líquido. Se consideran ultrasonidos de alta potencia los que se encuentran en el rango de 16-30 kHz. 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, la alternancia de ciclos de alta presión (compresión) / baja presión (rarefacción o expansión) crea diminutas burbujas de vacío o cavidades, 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 alcanzar un tamaño en el que no pueden absorber más energía. En ese momento, implosionan violentamente. La implosión de esas cavidades da lugar a diversos efectos altamente energéticos, que se conocen como fenómeno de cavitación acústica / ultrasónica. La cavitación acústica se caracteriza por múltiples efectos altamente energéticos, que afectan a líquidos, sistemas sólido/líquido y sistemas gas/líquido. La zona densa en energía o zona de cavitación se conoce como zona de punto caliente, que es más densa en energía en las proximidades de la sonda ultrasónica y disminuye con el aumento de la distancia desde el sonotrodo. Las principales características de la cavitación ultrasónica incluyen temperaturas y presiones localmente muy elevadas y sus respectivos diferenciales, turbulencias y corrientes de líquido. Durante la implosión de cavidades ultrasónicas en puntos calientes ultrasónicos, pueden medirse temperaturas de hasta 5000 Kelvin, presiones de hasta 200 atmósferas y chorros de líquido de hasta 1000km/h. Estas extraordinarias condiciones de alta intensidad energética contribuyen a los efectos sonomecánicos y sonoquímicos que intensifican los sistemas electroquímicos de diversas maneras.

Efectos de los ultrasonidos en los sistemas electroquímicos

La aplicación de ultrasonidos 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 el chorro acústico generan un micromovimiento significativo, impulsando chorros de líquido y agitación en el fluido de reacción. El resultado es una mejora de la hidrodinámica y del movimiento de la mezcla líquido/sólido. La cavitación ultrasónica reduce el espesor 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 concentración en la solución a granel se promueven ultrasónicamente. La influencia de la agitación ultrasónica en los gradientes de concentración durante la reacción garantiza 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, pueden iniciarse reacciones electroquímicas que, de otro modo, habrían sido electroinactivas. Otro efecto importante de la vibración y la corriente acústicas es el efecto de limpieza de las superficies de los electrodos. Las capas pasivantes y las incrustaciones en los electrodos limitan la eficacia y la velocidad de las reacciones electroquímicas. La ultrasonicación mantiene los electrodos permanentemente limpios y totalmente activos para la reacción.La ultrasonicación es bien conocida por sus efectos de desgasificación, que también son beneficiosos en las reacciones electroquímicas. Al eliminar los gases no deseados del líquido, la reacción puede ser más eficaz.

Aplicaciones de la sonoelectroquímica

La sonoelectroquímica puede aplicarse a diversos procesos y en diferentes industrias. Entre las aplicaciones más comunes de la sonoelectroquímica se incluyen las siguientes:

• Síntesis de nanopartículas (electrosíntesis)
• síntesis de hidrógeno
• electrocoagulación
• Tratamiento de aguas residuales
• Romper emulsiones
• Galvanoplastia / Electrodeposición

Síntesis sonoelectroquímica de nanopartículas

La ultrasonicación se aplicó con éxito para sintetizar diversas nanopartículas en un sistema electroquímico. Se han obtenido nanotubos de magnetita, cadmio-selenio (CdSe), nanopartículas (NPs) de platino, NPs de oro, magnesio metálico, bismuto, nanoplata, cobre ultrafino, nanopartículas de aleación de tungsteno-cobalto (W-Co), nanocompuestos de samaria/óxido de grafeno reducido, nanopartículas de cobre recubiertas de poli(ácido acrílico) sub-1nm y muchos otros polvos de tamaño nanométrico mediante sonoelectroquímica.
Entre las ventajas de la síntesis sonoelectroquímica de nanopartículas se incluyen las siguientes

• evitar agentes reductores y tensioactivos
• uso del agua como disolvente
• ajuste del tamaño de las nanopartículas variando los parámetros (potencia de los ultrasonidos, densidad de corriente, potencial de deposición y tiempos de los pulsos ultrasónicos frente a los electroquímicos)

Ashasssi-Sorkhabi y Bagheri (2014) sintetizaron películas de polipirrol sonoelectroquímicamente y compararon los resultados con películas de polipirrol sintetizadas electroquímicamente. Los resultados muestran que la sonoelectrodeposición galvanostática produjo una película de polipirrol (PPy) fuertemente adherente y lisa sobre acero, con una densidad de corriente de 4 mA cm-2 en solución de ácido oxálico 0,1 M/0,1 M de pirrol. Utilizando polimerización sonoelectroquímica, obtuvieron películas de PPy de alta resistencia y tenacidad con superficie lisa. Se ha demostrado que los recubrimientos de PPy preparados por sonoelectroquímica proporcionan una protección sustancial contra la corrosión al acero St-12. El recubrimiento sintetizado era uniforme y presentaba una elevada resistencia a la corrosión. Todos estos resultados pueden atribuirse al hecho de que los ultrasonidos mejoraron la transferencia de masa de los reactivos y provocaron altas velocidades 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/medio corrosivo se comprobó utilizando las transformadas de KK, y se observaron errores medios bajos.

Hass y Gedanken (2008) informaron del éxito de la síntesis sonoelectroquímica de nanopartículas metálicas de magnesio. Las eficiencias en el proceso sonoelectroquímico del reactivo de Gringard en tetrahidrofurano (THF) o en una solución de dibuildiglima fueron del 41,35% y el 33,08%, respectivamente. La adición de AlCl3 a la solución de Gringard aumentó drásticamente la eficacia, elevándola al 82,70% y al 51,69% en THF o dibuildiglima, respectivamente.

Producción sonoelectroquímica de hidrógeno

La electrólisis promovida por ultrasonidos aumenta significativamente el rendimiento de hidrógeno a partir de agua o soluciones alcalinas. Haga clic aquí para obtener más información sobre la síntesis electrolítica de hidrógeno acelerada por ultrasonidos.

Electrocoagulación asistida por ultrasonidos

La aplicación de ultrasonidos de baja frecuencia a los sistemas de electrocoagulación se conoce como sonoelectrocoagulación. Los estudios demuestran que la sonicación influye positivamente en la electrocoagulación, lo que se traduce, por ejemplo, en una mayor eficacia de eliminación de los hidróxidos de hierro de las aguas residuales. El impacto positivo de los ultrasonidos en la electrocoagulación se explica por la reducción de la pasivación de los electrodos. Los ultrasonidos de baja frecuencia y alta intensidad destruyen la capa sólida depositada y la eliminan eficazmente, manteniendo así los electrodos continuamente activos. Además, los ultrasonidos activan los dos tipos de iones, es decir, cationes y aniones, presentes en la zona de reacción de los electrodos. La agitación ultrasónica produce un elevado micromovimiento de la solución que alimenta y arrastra la materia prima y el producto hacia y desde los electrodos.
Algunos ejemplos de procesos de sonoelectrocoagulación que han tenido éxito son la reducción de Cr(VI) a Cr(III) en aguas residuales farmacéuticas, la eliminación del fósforo total de los efluentes de la industria de química fina con una eficiencia de eliminación del fósforo del 99,5% en 10 minutos, la eliminación del color y la DQO de los efluentes de la industria de la pasta y el papel, etc. Las eficiencias de eliminación de color, DQO, Cr(VI), Cu(II) y P notificadas fueron del 100%, 95%, 100%, 97,3% y 99,84%, respectivamente. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradación sonoelectroquímica de contaminantes

Las reacciones de oxidación y/o reducción electroquímicas promovidas por ultrasonidos se aplican como método potente para degradar contaminantes químicos. Los mecanismos sonomecánicos y sonoquímicos promueven la degradación electroquímica de los contaminantes. La cavitación generada por ultrasonidos provoca una intensa agitación, micromezcla, transferencia de masa y eliminación de las capas pasivantes de los electrodos. Estos efectos cavitacionales se traducen principalmente en una mejora de la transferencia de masa sólido-líquido entre los electrodos y la solución. Los efectos sonoquímicos afectan directamente a las moléculas. La escisión homolítica de las moléculas crea oxidantes altamente reactivos. En medios acuosos y en presencia de oxígeno, se producen radicales como HO-, HO2- y O-. Se sabe que los radicales -OH son importantes para la descomposición eficaz de los materiales orgánicos. En general, la degradación sonoelectroquímica muestra una gran eficacia y es adecuada para el tratamiento de grandes volúmenes de corrientes de aguas residuales y otros líquidos contaminados.
Por ejemplo, Lllanos et al. (2016) descubrieron que se obtenía un efecto sinérgico significativo en la desinfección del agua cuando el sistema electroquímico se intensificaba mediante sonicación (desinfección sonoelectroquímica). Se encontró que este aumento en la tasa de desinfección estaba relacionado con la supresión de los aggolomerados celulares de E. coli, así como con una mayor producción de especies desinfectantes. Esclapez et al. (2010) mostraron que un reactor sonoelectroquímico específicamente diseñado (aunque no optimizado) fue utilizado durante el escalado de la degradación del ácido tricloroacético (TCAA), la presencia de 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 intensidades ultrasónicas y flujo volumétrico más bajos. Teniendo en cuenta el hecho de que el reactor sonoelectroquímico prepiloto aún no estaba optimizado, es muy probable que estos resultados puedan mejorarse aún más.

Voltamperometría ultrasónica y electrodeposición

La electrodeposición se llevó a cabo galvanostáticamente a una densidad de corriente de 15 mA/cm2. Las soluciones se sometieron a ultrasonidos antes de la electrodeposición durante 5-60 minutos. Se utilizó un Hielscher Ultrasonidos con sonda UP200S a un tiempo de ciclo de 0,5. La ultrasonicación se consiguió sumergiendo directamente la sonda de ultrasonidos en la solución. Para evaluar el impacto ultrasónico 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 ultrasonidos antes de la electrodeposición, la deposición comienza a valores de potencial 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 de forma más activa que en las no ultrasonicadas. (cf. Yurdal & Karahan 2017)

Sondas electroquímicas y sonorreactores de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics es su socio experimentado desde hace muchos años para sistemas ultrasónicos de alto rendimiento. Fabricamos y distribuimos sondas y reactores ultrasónicos de última generación, que se utilizan en todo el mundo para aplicaciones pesadas en entornos exigentes. Para la sonoelectroquímica, Hielscher ha desarrollado sondas ultrasónicas especiales, que pueden actuar como cátodo y/o ánodo, así como celdas de reactores ultrasónicos adecuadas para reacciones electroquímicas. Los electrodos y celdas ultrasónicos están disponibles para sistemas galvánicos/voltáicos y electrolíticos.

Amplitudes controlables con precisión para resultados óptimos

Todos los procesadores por ultrasonidos de Hielscher se pueden controlar con precisión y, por tanto, son fiables en las aplicaciones de R&D y la producción. La amplitud es uno de los parámetros cruciales del proceso que influyen en la eficiencia y eficacia de las reacciones inducidas sonoquímica y sonomecánicamente. Todos los ultrasonidos Hielscher’ permiten el ajuste preciso de la amplitud. Los procesadores industriales de ultrasonidos de Hielscher pueden suministrar amplitudes muy elevadas y proporcionar la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones sonoelectroquímicas exigentes. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ajustes precisos de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante un software inteligente le ofrecen 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 integrada, de modo que cada ciclo puede evaluarse y controlarse. Sonicación óptima para las reacciones sonoelectroquímicas más eficientes.
Todos los equipos están construidos para su uso 24/7/365 a plena carga y su robustez y fiabilidad los convierten en el caballo de batalla de su proceso electroquímico. Esto convierte a los equipos de ultrasonidos de Hielscher en una herramienta de trabajo fiable que cumple los requisitos de su proceso sonoelectroquímico.

Máxima calidad – Diseñado y fabricado en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher prioriza los más altos estándares de calidad para sus procesadores por ultrasonidos. Todos los equipos de ultrasonidos se diseñan, fabrican y prueban exhaustivamente en nuestra sede de 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.

Póngase en contacto con nosotros e infórmenos sobre los requisitos de su proceso electroquímico. Le recomendaremos los electrodos ultrasónicos y la configuración del reactor más adecuados.