Elektro-ultraheli töötlus – ultraheli elektroodid

Elektro-ultraheli töötlus (elektrosonikeerimine) on elektri ja ultraheli töötluse (sonikeerimise) mõjude kombinatsioon. Hielscher Ultrasonics töötas välja uue ja elegantse meetodi, kuidas kasutada mis tahes sonotroodi elektroodina. See suunab ultraheli jõu otse ultraheli elektroodi ja vedeliku piirpinnale. Seal võib see soodustada elektrolüüsi, parandada massiülekannet ning lõhkuda piirkihte või setteid. Hielscher tarnib tootmisklassi seadmeid elektro-ultraheli töötluse protsessideks perioodilistes ja läbivoolu­protsessides igas mastaabis. Elektro-ultraheli töötlust saab kombineerida mano-ultraheli töötlusega (rõhk) ja termo-ultraheli töötlusega (temperatuur).

Ultraheli elektroodide rakendused

Ultraheli rakendamine elektroodidele on uudne tehnoloogia, millest on kasu paljudele erinevatele protsessidele elektrolüüsis, galvaniseerimisel, elektropuhastuses, vesiniku tootmisel ja elektrokoagulatsioonis, osakeste sünteesil või muudes elektrokeemilistes reaktsioonides. Hielscher Ultrasonicsil on ultraheli elektroodid kohe saadaval teadus- ja arendustööks labori- või pilootmastaabis elektrolüüsil. Pärast elektrolüütilise protsessi katsetamist ja optimeerimist saate kasutada Hielscher Ultrasonicsi tootmismahus ultraheliseadmeid, et suurendada oma protsessi tulemused tööstusliku tootmise tasemele. Allpool leiate soovitusi ja näpunäiteid ultraheli elektroodide kasutamiseks.

Sonoelektrolüüs (ultraheli elektrolüüs)

Elektrolüüs on aatomite ja ioonide vahetus, mis tekib elektronide eemaldamise või lisamise tulemusena elektrivoolu rakendamisel. Elektrolüüsi saadustel võib olla elektrolüütidest erinev füüsikaline olek. Elektrolüüsil võivad tekkida tahked ained, näiteks sademed või tahked kihid kummalgi elektroodil. Teise võimalusena võivad elektrolüüsil tekkida gaasid, näiteks vesinik, kloor või hapnik. Elektroodi ultrahelitöötlus (ultraheli segamine) võib lõhkuda tahkeid setteid elektroodi pinnalt. Ultraheli degaseerimine tekitab kiiresti suuremaid gaasimulle lahustunud gaasidest ehk mikromullidest. See viib gaasiliste saaduste kiiremale eraldumisele elektrolüüdist.

Ultraheli UIP2000hdT (2000 vatti, 20kHz) katoodi ja/või anoodina elektrolüütilises rakus

Ultrahelil põhinev parem massiülekanne elektroodi pinnal

Elektrolüüsi käigus koguneb saadusi elektroodide lähedusse või elektroodi pinnale. Ultraheli segamine on väga tõhus vahend massiülekande suurendamiseks piirkihtides. See mõju toob värske elektrolüüdi kokkupuutesse elektroodi pinnaga. Kavitatsioonist tingitud voolamine viib elektrolüüsi saadused, näiteks gaasid või tahked ained, elektroodi pinnalt eemale. Isoleerivate kihtide pidurdav teke on seega välditud.

Ultraheli mõju lagunemispotentsiaalile

Anoodi, katoodi või mõlema elektroodi ultraheli segamine võib mõjutada lagunemispotentsiaali ehk lagunemispinget. Kavitatsiooni üksi on teada, et see lõhub molekule ning tekitab vabu radikaale või osooni. Kavitatsiooni ja elektrolüüsi kombinatsioon ultrahelil põhinevas elektrolüüsis võib mõjutada elektrolüüsi toimumiseks vajalikku minimaalset pinget elektrolüütilise raku anoodi ja katoodi vahel. Kavitatsiooni mehaanilised ja sonokeemilised mõjud võivad parandada ka elektrolüüsi energiatõhusust.

Ultraheli elektrorafineerimisel ja elektrolüütilisel metallitootmisel (electrowinning)

Elektrorafineerimise protsessis võivad metallide, näiteks vase tahked setted muutuda elektrolüüdis tahkete osakeste suspensiooniks. Elektrolüütilisel metallitootmisel ehk elektroekstraktsioonil võib metallide elektrosadestumine nende maakidest muutuda tahkeks sademeks. Tavalised elektrolüütilisel teel saadavad metallid on plii, vask, kuld, hõbe, tsink, alumiinium, kroom, koobalt, mangaan ning haruldased muldmetallid ja leelismetallid.
Ultraheli töötlus on tõhus vahend ka maakide leostamiseks.

Vedelike sonoelektrolüütiline puhastamine

Puhastage vedelik, nt vesilahused, nagu reovesi, muda või sarnased, juhtides lahuse läbi kahe elektroodi elektrivälja! Elektrolüüs võib vesilahuseid desinfitseerida või puhastada. NaCI lahuse koos veega elektroodide kaudu või elektroodide kohal juhtimine tekitab Cl2 või CIO2, mis võivad lisandeid oksüdeerida ning vett või vesilahuseid desinfitseerida. Kui vesi sisaldab piisavalt looduslikke kloriide, ei ole lisamine vajalik.
Elektroodi ultrahelivibratsioon võib muuta piirkihi elektroodi ja vee vahel võimalikult õhukeseks. See võib parandada massiülekannet mitme suurusjärgu võrra. Ultrahelivibratsioon ja kavitatsioon vähendavad polarisatsioonist tingitud mikroskoopiliste mullide teket oluliselt. Ultraheli elektroodide kasutamine elektrolüüsis parandab elektrolüütilist puhastusprotsessi märkimisväärselt.

Sono-elektrokoagulatsioon (ultraheli elektrokoagulatsioon)

Elektrokoagulatsioon on reovee puhastamise meetod saasteainete, nagu emulgeeritud õli, naftasaaduste süsivesinike kogusisaldus, raskestilagunevad orgaanilised ained, heljum ja raskmetallid, eemaldamiseks. Samuti saab radioaktiivseid ioone eemaldada veepuhastuseks. Ultraheli töötluse (sonikeerimise) lisamisel elektrokoagulatsioonile, mida tuntakse ka sono-elektrokoagulatsioonina, on positiivne mõju keemilise hapnikutarbe või hägususe eemaldamise efektiivsusele. Elektrokoagulatsiooni kombineeritud töötlusprotsessid on näidanud tööstusreovee saasteainete eemaldamisel oluliselt paranenud tulemusi. Vabu radikaale tekitava etapi, nagu ultraheli kavitatsioon, integreerimine elektrokoagulatsiooniga näitab sünergiat ja parandab kogu puhastusprotsessi. Nende ultraheli-elektrolüütiliste hübriidsüsteemide kasutamise eesmärk on suurendada üldist töötlusefektiivsust ja kõrvaldada tavapäraste töötlusprotsesside puudused. Hübriidsete ultraheli-elektrokoagulatsiooni reaktorite puhul on näidatud, et need inaktiveerivad vees Escherichia coli.

Ultraheli UIP2000hdT (2000 vatti, 20kHz) sono-katoodi ja/või sono-anoodina mahutis

Reagentide või reaktantide sono-elektrolüütiline in situ tootmine

Paljud keemilised protsessid, nagu heterogeensed reaktsioonid või katalüüs, saavad kasu ultraheli segamisest ja ultraheli kavitatsioonist. Sonokeemiline mõju võib suurendada reaktsioonikiirust või parandada konversioonisaagist.
Ultraheliga segatud elektroodid lisavad keemilistele reaktsioonidele uue võimsa vahendi. Nüüd saate ühendada sonokeemia eelised elektrolüüsiga. Tootke vesinikku, hüdroksiidioone, hüpokloriti ja paljusid muid ioone või neutraalseid aineid otse ultraheli kavitatsiooniväljas. Elektrolüüsi saadused võivad toimida keemilise reaktsiooni reagentide või reaktantidena.

Ultraheli kombineerimine pulseeriva elektriväljaga

Pulseeriva elektrivälja (PEF) ja ultraheli (US) kombineerimisel on positiivne mõju füüsikalis-keemiliste, bioaktiivsete ühendite ekstraheerimisele ning ekstraktide keemilisele struktuurile. Mandlite ekstraheerimisel andis kombineeritud töötlus (PEF–US) kõrgeimad üldfenoolide, üldflavonoidide, kondenseeritud tanniinide, antotsüaniinide sisalduse ja antioksüdantse aktiivsuse tasemed. See vähendas võimsust ja metalle keleerivat aktiivsust.
Ultraheli (US) ja pulseerivat elektrivälja (PEF) saab kasutada protsessi efektiivsuse ja tootmiskiiruste suurendamiseks käärimisprotsessides, parandades massiülekannet ja rakkude läbilaskvust.
Pulseeriva elektrivälja ja ultraheli töötluse kombinatsioon mõjutab õhkkuivatamise kineetikat ja kuivatatud köögiviljade, nt porgandite, kvaliteeti. Kuivatusaega saab vähendada 20 kuni 40%, säilitades samal ajal rehüdratsiooniomadused.

Sono-elektrokeemia / ultraheli elektrokeemia

Lisage ultraheliga tõhustatud elektrolüüs, et toota reaktante või tarbida keemiliste reaktsioonide saadusi, et nihutada keemilise reaktsiooni lõplikku tasakaalu või muuta keemilise reaktsiooni kulgemisteed.

Ultraheli elektroodide soovitatav seadistus

Sondtüüpi ultraheli homogenisaatorite uuenduslik konstruktsioon muudab tavalise ultraheli sonotroodi ultrahelivibratsiooniga elektroodiks. See muudab elektroodide ultraheli kättesaadavamaks, hõlpsamini integreeritavaks ja lihtsasti skaleeritavaks tootmismahtudeni. Teised lahendused segasid elektrolüüti ainult kahe segamata elektroodi vahel. Varjestus ja ultraheli lainete levimismustrid annavad halvemaid tulemusi võrreldes elektroodi otsese segamisega. Ultraheli vibratsiooni saate lisada vastavalt vajadusele anoodidele või katoodidele. Loomulikult saate elektroodide pinget ja polaarsust igal ajal muuta. Hielscher Ultrasonicsi elektroode on lihtne olemasolevatesse seadistustesse järelpaigaldada.

Hermeetiline sonoelektrolüütiline kamber ja elektrokeemilised reaktorid

Ultraheli sonotroodi (elektroodi) ja reaktoranuma vahel on saadaval survetihe tihend. Seetõttu saate elektrolüütilist kambrit kasutada muul kui ümbritseva keskkonna rõhul. Ultraheli ja rõhu kombinatsiooni nimetatakse mano-sonikeerimiseks. See võib olla huvipakkuv, kui elektrolüüs toodab gaase, kõrgematel temperatuuridel töötades või lenduvate vedelkomponentidega töötades. Tihedalt suletud elektrokeemiline reaktor võib töötada ümbritsevast rõhust kõrgemal või madalamal rõhul. Ultraheli elektroodi ja reaktori vahelise tihendi saab teha elektrit juhtivaks või isoleerivaks. Viimane võimaldab kasutada reaktori seinu teise elektroodina. Loomulikult võivad reaktoril olla sisse- ja väljavooluavad, et see toimiks pidevprotsesside läbivoolukamber-reaktorina. Hielscher Ultrasonics pakub mitmesuguseid standardseid reaktoreid ja soojusvahetusmantliga läbivoolukambreid. Teise võimalusena saate valida mitme adapteri hulgast, et sobitada Hielscheri sonotroodid oma elektrokeemilise reaktoriga.

Kontsentriline paigutus torureaktoris

Kui ultraheliga segatav elektrood asub teise segamata elektroodi lähedal või reaktori seina lähedal, levivad ultraheli lained läbi vedeliku ja ultraheli lained mõjuvad ka teistele pindadele. Torus või reaktoris kontsentriliselt paiknev ultraheliga segatav elektrood võib hoida siseseinad puhtana setetest või kogunenud tahketest ainetest.

Temperatuur

Tavaliste Hielscheri sonotroodide kasutamisel elektroodidena võib elektrolüüdi temperatuur olla vahemikus 0 kuni 80 kraadi Celsiuse järgi. Sonotroode teistele elektrolüüdi temperatuuridele vahemikus -273 kraadi Celsiuse järgi kuni 500 kraadi Celsiuse järgi on saadaval soovi korral. Ultraheli ja temperatuuri kombinatsiooni nimetatakse termo-sonikeerimiseks.

Viskoossus

Kui elektrolüüdi viskoossus takistab massiülekannet, võib elektrolüüsi ajal ultraheliga segamine olla kasulik, kuna see parandab aine ülekannet elektroodidele ja elektroodidelt.

Sonoelektrolüüs pulseeriva vooluga

Pulseeriv vool ultraheliga segatavatel elektroodidel annab teistsuguseid saadusi kui alalisvool (DC). Näiteks võib pulseeriv vool suurendada anoodil toodetava osooni ja hapniku suhet vesilahuse happelise lahuse elektrolüüsis, nt lahjendatud väävelhappe puhul. Etanooli pulseeriva vooluga elektrolüüs annab peamiselt happe asemel aldehüüdi.

Seadmed elektro-sonikeerimiseks

Hielscher Ultrasonics töötas tööstuslike muundurite jaoks välja spetsiaalse sonoelektrokeemilise uuenduse. Täiustatud muundur töötab peaaegu kõigi Hielscheri sonotroodi tüüpidega.

Ultraheli elektroodid (sonotroodid)

Sonotroodid on ultraheli generaatorist elektriliselt isoleeritud. Seetõttu saate ultraheli sonotroodi ühendada elektripingega, nii et sonotrood saab toimida elektroodina. Sonotroodide ja maanduskontakti vaheline standardne elektriisolatsiooni vahe on 2,5 mm. Seetõttu võiksite sonotroodile rakendada kuni 2500 volti. Standardsonotroodid on täismetallist ja valmistatud titaanist. Seetõttu pole elektroodi vooluele peaaegu mingit piirangut. Titaan on korrosioonikindel paljude aluseliste või happeliste elektrolüütide suhtes. Võimalikud on ka alternatiivsed sonotroodimaterjalid, näiteks alumiinium (Al), teras (Fe), roostevaba teras, nikkel-kroom-molübdeen või nioobium. Hielscher pakub kulutõhusaid ohveranoodsonotroode, nt alumiiniumist või terasest.

Ultraheli generaator, toiteallikas

Ultraheli generaator ei vaja mingit muudatust ja kasutab maandusega standardset elektripistikut. Muundurisarv ning muunduri ja generaatori kõik välispinnad on loomulikult ühendatud pistikupesa maandusega. Sonotrood ja toestuselement on ainsad elektroodipingega ühendatud osad. See lihtsustab seadistuse kavandamist. Sonotroodi saate ühendada alalisvoolu (DC), pulseeriva alalisvoolu või vahelduvvooluga (AC). Ultraheli elektroode saab vastavalt vajadusele kasutada anoodide või katoodidena.

Tootmisseadmed elektro-sonikeerimise protsessideks

Võite kasutada mis tahes Hielscheri ultraheli seadet, näiteks UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT või UIP4000hdT, et ühendada kuni 4000 vatti ultraheli võimsust mis tahes standardse sonotroodi või kaskatroodiga. Ultraheli pinnaintensiivsus sonotroodi pinnal võib olla vahemikus 1 vatt kuni 100 vatti vatt ruutsentimeetri kohta. Saadaval on erinevad sonotroodi geomeetriad amplituudidega 1 mikronist kuni 150 mikronini (tipust tipuni). Ultraheli sagedus 20kHz on elektrolüüdis kavitatsiooni ja akustilise voolamise tekitamisel väga tõhus. Hielscheri ultraheli seadmed võivad töötada 24 tundi ööpäevas, seitse päeva nädalas. Võite töötada pidevalt täisvõimsusel või pulseerivalt, nt elektroodide perioodiliseks puhastamiseks. Hielscher Ultrasonics võib tarnida ultraheli elektroode, mille ultraheli võimsus (mehaaniline segamine) on kuni 16 kilovatti ühe elektroodi kohta. Elektroodidele ühendatavale elektrivõimsusele pole peaaegu mingit piiri.

Veel üks asi: sono-elektrostaatiline pihustamine

Hielscher Ultrasonics valmistab seadmeid vedelike pihustamiseks, udustamiseks, atomiseerimiseks või aerosooliks muutmiseks. Ultraheli pihustussonotrood võib anda vedelikuudule või aerosoolidele positiivse laengu. See ühendab ultraheli pihustamise elektrostaatilise pihustamise tehnoloogiaga, nt katteprotsesside jaoks.

Kirjandus / viited

• Hielscher, Th. (2026): Electrodes and Inline Reactors: How Sono-Electrochemistry Improves Efficiency. Poster Presentation at GDCh Electrochemistry 22.09.2026 – 25.09.2026, Bayreuth/Germany
• Bruno G. Pollet; Faranak Foroughi; Alaa Y. Faid; David R. Emberson; Md.H. Islam (2020): Does power ultrasound (26 kHz) affect the hydrogen evolution reaction (HER) on Pt polycrystalline electrode in a mild acidic electrolyte? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 69, December 2020.
• Md H. Islam; Odne S. Burheim; Bruno G.Pollet (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 51, March 2019. 533-555.
• Jayaraman Theerthagiri; Jagannathan Madhavan; Seung Jun Lee; Myong Yong Choi; Muthupandian Ashokkumar; Bruno G. Pollet (2020): Sonoelectrochemistry for energy and environmental applications. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 63, 2020.
• Bruno G. Pollet (2019): Does power ultrasound affect heterogeneous electron transfer kinetics? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 6-12.
• Md Hujjatul Islam; Michael T.Y. Paul; Odne S. Burheim; Bruno G. Pollet (2019): Recent developments in the sonoelectrochemical synthesis of nanomaterials. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 59, 2019.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
• M.D. Esclapez, V. Sáez, D. Milán-Yáñez, I. Tudela, O. Louisnard, J. González-García (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 6, 2010. 1010-1020.
• L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.