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 ultrasonidos a la electroquímica?

La combinación de ondas ultrasónicas de baja frecuencia y alta intensidad con sistemas electroquímicos ofrece múltiples ventajas que mejoran la eficiencia y la velocidad de conversión de las reacciones electroquímicas.

Principio de funcionamiento de los ultrasonidos

Para el procesamiento ultrasónico de alto rendimiento, un generador de ultrasonidos produce ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia que se transmiten a un líquido mediante una sonda ultrasónica (sonotrodo). Se consideran ultrasonidos de alta potencia los comprendidos en el intervalo de 16-30 kHz. La sonda ultrasónica se expande y se contrae, por ejemplo, a 20 kHz, transmitiendo así 20.000 vibraciones por segundo al medio. Cuando las ondas ultrasónicas se propagan por el líquido, los ciclos alternos de alta presión (compresión) / baja presión (rarefacción o expansión) crean 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 y expansión, las cavidades del líquido crecen hasta alcanzar un tamaño en el que ya no pueden absorber más energía. En ese momento, implosionan violentamente. La implosión de estas cavidades produce diversos efectos de gran energía, conocidos como el fenómeno de cavitación acústica / ultrasónica. La cavitación acústica se caracteriza por múltiples efectos de gran energía que afectan a líquidos, sistemas sólido/líquido y sistemas gas/líquido. La zona de alta densidad energética o zona de cavitación se conoce como zona de puntos calientes; su densidad energética es máxima en las inmediaciones de la sonda ultrasónica y disminuye a medida que aumenta la distancia al 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 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 1000 km/h. Estas condiciones excepcionales de gran intensidad energética contribuyen a los efectos sonomecánicos y sonoquímicos que intensifican los sistemas electroquímicos de diversas maneras.

Efectos de los ultrasonidos sobre 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 las corrientes acústicas generan un micromovimiento considerable, chorros de líquido que impactan y agitación en el fluido de reacción. Esto mejora la hidrodinámica y el 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 más delgada significa que la sonicación minimiza la diferencia de concentración, es decir, los ultrasonidos favorecen que la concentración en las proximidades del electrodo se aproxime al valor de concentración en el seno de la solución. La influencia de la agitación ultrasónica sobre los gradientes de concentración durante la reacción garantiza el suministro continuo de solución fresca al electrodo y la evacuación del material que ha reaccionado. Esto significa que la sonicación mejora la cinética global, acelera la velocidad de reacción y aumenta el rendimiento de la reacción.
La introducción de energía ultrasónica en el sistema, junto con la formación sonoquímica de radicales libres, permite iniciar reacciones electroquímicas que, de otro modo, serían electroinactivas. Otro efecto importante de la vibración y las corrientes acústicas es la limpieza de las superficies de los electrodos. Las capas pasivantes y los depósitos en los electrodos limitan la eficiencia y la velocidad de las reacciones electroquímicas. La sonicación mantiene los electrodos permanentemente limpios y plenamente activos para la reacción. La sonicación también es conocida por sus efectos de desgasificación, que resultan beneficiosos en las reacciones electroquímicas. Al eliminar los gases no deseados del líquido, la reacción puede desarrollarse con mayor eficacia.

Aplicaciones de la sonoelectroquímica

La sonoelectroquímica puede aplicarse a diversos procesos y en diferentes sectores industriales. Entre las aplicaciones más habituales de la sonoelectroquímica se encuentran las siguientes:

• Síntesis de nanopartículas (electrosíntesis)
• Síntesis de hidrógeno
• Electrocoagulación
• Tratamiento de aguas residuales
• Ruptura de emulsiones
• Recubrimiento electrolítico / electrodeposición
• Calentamiento óhmico

Síntesis sonoelectroquímica de nanopartículas

La sonicación se ha aplicado con éxito para sintetizar diversas nanopartículas en un sistema electroquímico. Mediante sonoelectroquímica se han producido con éxito magnetita, nanotubos de cadmio-selenio (CdSe), nanopartículas de platino (NPs), NPs de oro, magnesio metálico, bismuteno, nanoplata, cobre ultrafino, nanopartículas de aleación de tungsteno–cobalto (W–Co), nanocompuestos de óxido de samario/óxido de grafeno reducido, nanopartículas de cobre de tamaño inferior a 1 nm recubiertas de poli(ácido acrílico) y muchos otros polvos de tamaño nanométrico.
Entre las ventajas de la síntesis sonoelectroquímica de nanopartículas se incluyen

• la eliminación de la necesidad de agentes reductores y tensioactivos
• el uso de agua como disolvente
• el ajuste del tamaño de las nanopartículas mediante la variación de parámetros (potencia ultrasónica, 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 mediante sonoelectroquímica y compararon los resultados con películas de polipirrol sintetizadas electroquímicamente. Los resultados muestran que la sonoelectrodeposición galvanostática produjo una película de polipirrol (PPy) lisa y fuertemente adherida al acero, con una densidad de corriente de 4 mA cm–2 en una solución de ácido oxálico 0,1 M/pirrol 0,1 M. Mediante polimerización sonoelectroquímica, obtuvieron películas de PPy de alta resistencia y tenacidad, con una superficie lisa. Se ha demostrado que los recubrimientos de PPy preparados mediante sonoelectroquímica proporcionan una protección considerable frente a la corrosión del 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 mediante la cavitación acústica y las elevadas temperaturas y presiones resultantes. La validez de los datos de impedancia correspondientes a la interfaz acero St-12/dos recubrimientos de PPy/medios corrosivos se comprobó mediante las transformadas KK, y se observaron errores medios bajos.

Hass y Gedanken (2008) describieron la síntesis sonoelectroquímica exitosa de nanopartículas de magnesio metálico. Las eficiencias del proceso sonoelectroquímico del reactivo de Gringard en tetrahidrofurano (THF) o en una solución de dibutildiglima fueron del 41,35% y del 33,08%, respectivamente. La adición de AlCl3 a la solución de Gringard aumentó considerablemente la eficiencia, elevándola al 82,70% y al 51,69% en THF o dibutildiglima, respectivamente.

Producción sonoelectroquímica de hidrógeno

La electrólisis favorecida 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 muestran que la sonicación influye positivamente en la electrocoagulación y produce, por ejemplo, una mayor eficiencia de eliminación de hidróxidos de hierro de las aguas residuales. El efecto positivo de los ultrasonidos sobre la electrocoagulación se explica por la reducción de la pasivación de los electrodos. Los ultrasonidos de baja frecuencia y alta intensidad destruyen las capas sólidas depositadas y las eliminan eficazmente, manteniendo así los electrodos plenamente activos de forma continua. Además, los ultrasonidos activan ambos tipos de iones, es decir, cationes y aniones, presentes en la zona de reacción de los electrodos. La agitación ultrasónica produce un intenso micromovimiento de la solución, que suministra materia prima a los electrodos y evacua los productos de estos.
Entre los ejemplos de procesos de sonoelectrocoagulación exitosos se encuentran la reducción de Cr(VI) a Cr(III) en aguas residuales farmacéuticas, la eliminación de fósforo total de los efluentes de la industria química fina con una eficiencia de eliminación de fósforo del 99,5% en 10 min., y la eliminación de color y DQO de los efluentes de la industria de la pasta y el papel, entre otros. Las eficiencias de eliminación descritas para el color, la DQO, Cr(VI), Cu(II) y P fueron del 100%, 95%, 100%, 97,3% y 99,84%, respectivamente. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradación sonoelectroquímica de contaminantes

Las reacciones electroquímicas de oxidación y/o reducción favorecidas por ultrasonidos se aplican como un método potente para degradar contaminantes químicos. Los mecanismos sonomecánicos y sonoquímicos favorecen la degradación electroquímica de los contaminantes. La cavitación generada por ultrasonidos produce una intensa agitación, micromezcla, transferencia de masa y eliminación de las capas pasivantes de los electrodos. Estos efectos de cavitación mejoran principalmente la transferencia de masa sólido-líquido entre los electrodos y la solución. Los efectos sonoquímicos actúan directamente sobre las moléculas. La escisión homolítica de las moléculas genera oxidantes muy 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 eficiente de materiales orgánicos. En conjunto, la degradación sonoelectroquímica presenta una alta eficiencia y es adecuada para el tratamiento de grandes volúmenes de corrientes de aguas residuales y otros líquidos contaminados.
Por ejemplo, Lllanos et al. (2016) observaron efectos sinérgicos significativos en la desinfección del agua cuando el sistema electroquímico se intensificaba mediante sonicación (desinfección sonoelectroquímica). Se constató que este aumento de la velocidad de desinfección estaba relacionado con la supresión de los aglomerados de células de E. coli y con una mayor producción de especies desinfectantes. Esclapez et al. (2010) mostraron que, al utilizar un reactor sonoelectroquímico específicamente diseñado, aunque sin optimizar, durante el escalado de la degradación del ácido tricloroacético (TCAA), la presencia del campo ultrasónico generado con el UIP1000hd proporcionó mejores resultados (conversión fraccional del 97%, eficiencia de degradación del 26%, selectividad de 0,92 y eficiencia de corriente del 8%) con intensidades ultrasónicas y caudales volumétricos menores. Teniendo en cuenta que el reactor sonoelectroquímico a escala prepiloto aún no estaba optimizado, es muy probable que estos resultados puedan mejorarse todavía más.

Voltametría ultrasónica y electrodeposición

La electrodeposición se llevó a cabo galvanostáticamente con una densidad de corriente de 15 mA/cm2. Las soluciones se sometieron a sonicación antes de la electrodeposición durante 5–60 minutos. El equipo de Hielscher, sonicador de sonda UP200S , se utilizó con un tiempo de ciclo de 0,5. La sonicación se realizó sumergiendo directamente la sonda ultrasónica en la solución. Para evaluar el efecto de los ultrasonidos sobre la solución antes de la electrodeposición, se utilizó voltametría cíclica (CV) para determinar el comportamiento de la solución y predecir las condiciones ideales para la electrodeposición. Se observa que, cuando la solución se somete a sonicación antes de la electrodeposición, la deposición comienza a valores de potencial menos negativos. Esto significa que, para una misma corriente en la solución, se requiere un potencial menor, ya que las especies presentes en la solución presentan una mayor actividad que en las soluciones no sometidas a sonicación. (cf. Yurdal & Karahan 2017)
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Sondas electroquímicas de alto rendimiento y SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics es su socio con amplia experiencia en sistemas ultrasónicos de alto rendimiento. Fabricamos y distribuimos sondas y reactores ultrasónicos de última generación que se utilizan en todo el mundo para aplicaciones de trabajo 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 las celdas ultrasónicas están disponibles tanto para sistemas galvánicos / voltaicos como para sistemas electrolíticos.

Amplitudes controlables con precisión para obtener resultados óptimos

Todos los procesadores ultrasónicos de Hielscher pueden controlarse con precisión, lo que los convierte en equipos de trabajo fiables para I+D y producción. La amplitud es uno de los parámetros fundamentales del proceso que influyen en la eficiencia y la eficacia de las reacciones inducidas por efectos sonoquímicos y sonomecánicos. Todos los procesadores de Hielscher Ultrasonics permiten ajustar la amplitud con precisión. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas y la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones sonoelectroquímicas exigentes. Pueden mantenerse fácilmente amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ajustes precisos de amplitud y la supervisión continua de los parámetros del proceso ultrasónico mediante software inteligente permiten 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 lograr reacciones sonoelectroquímicas de máxima eficiencia!
Todos los equipos están diseñados para funcionar 24/7/365 a plena carga, y su robustez y fiabilidad los convierten en equipos de trabajo esenciales para su proceso electroquímico. Así, los equipos ultrasónicos de Hielscher constituyen una herramienta de trabajo fiable que satisface los requisitos de su proceso sonoelectroquímico.

Máxima calidad – diseñados y fabricados en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher da prioridad a los más altos estándares de calidad para sus procesadores ultrasónicos. Todos los sonicadores se diseñan, fabrican y someten a pruebas exhaustivas en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín, Alemania. La robustez y la fiabilidad de los equipos ultrasónicos de Hielscher los convierten en equipos de trabajo esenciales para su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica inherente a las sondas y los reactores ultrasónicos de alto rendimiento de Hielscher.

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