Elektro-ultrahelitöötlus – Ultraheli elektroodid
Elektro-ultrahelitöötlus on elektri mõju ja ultrahelitöötluse mõjude kombinatsioon. Hielscher Ultrasonics töötas välja uue ja elegantse meetodi, et kasutada mis tahes sonotrode elektroodina. See paneb ultraheli võimsuse otse ultraheli elektroodi ja vedeliku vahelisele liidesele. Seal võib see soodustada elektrolüüsi, parandada massiülekannet ja murda piirikihte või ladestusi. Hielscher tarnib tootmiskvaliteediga seadmeid elektro-ultrahelitöötlusprotsesside jaoks partii- ja inline-protsessides mis tahes skaalal. Saate kombineerida elektro-ultrahelitöötlust mano-ultrahelitöötlusega (rõhk) ja termo-ultrahelitöötlusega (temperatuur).
Ultraheli elektroodide rakendused
Ultraheli rakendamine elektroodidele on uudne tehnoloogia, mis on kasulik paljudele erinevatele protsessidele elektrolüüsis, galvaniseerimises, elektropuhastuses, vesiniku genereerimises ja elektrokoagulatsioonis, osakeste sünteesis või muudes elektrokeemilistes reaktsioonides. Hielscher Ultrasonicsil on ultraheli elektroodid, mis on kergesti kättesaadavad teadus- ja arendustegevuseks laboris või pilootskaala elektrolüüsis. Pärast elektrolüütilise protsessi testimist ja optimeerimist saate kasutada Hielscher Ultrasonics tootmise suuruse ultraheli seadmeid, et suurendada oma protsessi tulemusi tööstusliku tootmise tasemele. Allpool leiate soovitusi ja soovitusi ultraheli elektroodide kasutamiseks.
Sono-elektrolüüs (ultraheli elektrolüüs)
Elektrolüüs on aatomite ja ioonide vahetamine elektrivoolu rakendamisest tulenevate elektronide eemaldamise või lisamisega. Elektrolüüsi saadustel võib olla elektrolüüdist erinev füüsiline olek. Elektrolüüs võib tekitada tahkeid aineid, näiteks sademeid või tahkeid kihte mõlemal elektroodil. Teise võimalusena võib elektrolüüs tekitada gaase, nagu vesinik, kloor või hapnik. Elektroodi ultraheli segamine võib murda elektroodi pinnalt tahkeid ladestusi. Ultraheli degaseerimine tekitab mikromullide lahustunud gaasidest kiiresti suuremad gaasimullid. See viib gaasiliste toodete kiirema eraldamiseni elektrolüüdist.
Ultraheli täiustatud massiülekanne elektroodipinnal
Elektrolüüsi käigus kogunevad tooted elektroodide lähedale või elektroodi pinnale. Ultraheli agitatsioon on väga tõhus vahend massiülekande suurendamiseks piirikihtides. See efekt toob värske elektrolüüdi kokkupuutesse elektroodi pinnaga. Kavitatsiooniline voogesitus transpordib elektrolüüsi tooteid, näiteks gaase või tahkeid aineid, elektroodi pinnalt eemale. Seetõttu välditakse isoleerivate kihtide inhibeerivat moodustumist.
Ultraheli mõju lagunemispotentsiaalile
Anoodi, katoodi või mõlema elektroodi ultraheli segamine võib mõjutada lagunemispotentsiaali või lagunemispinget. On teada, et ainuüksi kavitatsioon lõhub molekule, tekitab vabu radikaale või osooni. Kavitatsiooni ja elektrolüüsi kombinatsioon ultraheliga täiustatud elektrolüüsis võib mõjutada elektrolüüsi toimumiseks minimaalset nõutavat pinget anoodi ja elektrolüütilise raku katoodi vahel. Kavitatsiooni mehaanilised ja sonokeemilised mõjud võivad parandada ka elektrolüüsi energiatõhusust.
Ultraheli elektrorafineerimisel ja elektrolüüsimisel
Elektrorafineerimise protsessis võib metallide, näiteks vase tahkeid ladestusi muuta elektrolüüdi tahkete osakeste suspensiooniks. Elektrolüüsimisel, mida nimetatakse ka elektroekstraktsiooniks, võib metallide elektrodepositsiooni nende maagidest muuta tahkeks sademeks. Tavalised elektrowon metallid on plii, vask, kuld, hõbe, tsink, alumiinium, kroom, koobalt, mangaan ning haruldased muldmetallid ja leelismetallid. Ultraheli on tõhus vahend ka maagide leostamiseks.
Vedelike sonoelektrolüütiline puhastamine
Puhastage vedelik, nt vesilahus, nagu reovesi, muda vms, juhtides lahuse läbi kahe elektroodi elektrivälja! Elektrolüüs võib vesilahuseid desinfitseerida või puhastada. NaCI lahuse söötmine koos veega läbi elektroodide või üle elektroodide tekitab Cl2 või CIO2, mis võib oksüdeerida lisandeid ja desinfitseerida vett või vesilahuseid. Kui vesi sisaldab piisavalt looduslikke kloriide, ei ole seda vaja lisada.
Elektroodi ultraheli vibratsioonid võivad saada elektroodi ja vee vahelise piirkihi võimalikult õhukeseks. See võib parandada massiülekannet paljudes suurusjärkudes. Ultraheli vibratsioon ja kavitatsioon vähendab oluliselt polarisatsiooni tõttu mikroskoopiliste mullide teket. Ultraheli elektroodide kasutamine elektrolüüsiks parandab oluliselt elektrolüütilist puhastusprotsessi.
Sono-elektrokoagulatsioon (ultraheli elektrokoagulatsioon)
Elektrokoagulatsioon on reoveepuhastusmeetod saasteainete, näiteks emulgeeritud õli, kogu nafta süsivesinike, tulekindlate orgaaniliste ainete, suspendeeritud tahkete ainete ja raskmetallide eemaldamiseks. Samuti saab vee puhastamiseks eemaldada radioaktiivseid ioone. Ultraheli elektrokoagulatsiooni lisamine, tuntud ka kui sono-elektrokoagulatsioon, avaldab positiivset mõju keemilisele hapnikuvajadusele või hägususe eemaldamise efektiivsusele. Elektrokoagulatsiooni kombineeritud puhastusprotsessid on näidanud oluliselt paremaid tulemusi saasteainete eemaldamisel tööstusreoveest. Vabade radikaalide tootmise etapi, näiteks ultraheli kavitatsiooni integreerimine elektrokoagulatsiooniga näitab sünergiat ja üldise puhastusprotsessi paranemist. Nende ultraheli-elektrolüütiliste hübriidsüsteemide kasutamise eesmärk on suurendada üldist ravi efektiivsust ja kõrvaldada tavapäraste raviprotsesside puudused. On tõestatud, et hübriidsed ultraheli-elektrokoagulatsioonireaktorid inaktiveerivad Escherichia coli vees.
Reaktiivide või reaktiivide sonoelektrolüütiline in situ genereerimine
Paljud keemilised protsessid, nagu heterogeensed reaktsioonid või katalüüs, saavad kasu ultraheli agitatsioonist ja ultraheli kavitatsioonist. Sonokeemiline mõju võib suurendada reaktsioonikiirust või parandada konversiooni saagist.
Ultraheli segatud elektroodid lisavad keemilistele reaktsioonidele uue võimsa tööriista. Nüüd saate kombineerida sonokeemia eeliseid elektrolüüsiga. Toota vesinikku, hüdroksiidioone, hüpokloritit ja paljusid teisi ioone või neutraalseid materjale otse ultraheli kavitatsiooniväljal. Elektrolüüsi saadused võivad toimida reaktiividena või keemilise reaktsiooni reagentidena.
Reagendid on sisendmaterjalid, mis osalevad keemilises reaktsioonis. Reagente tarbitakse keemilise reaktsiooni produktide valmistamiseks
Ultraheli ja impulsselektrivälja kombinatsioon
Impulss-elektrivälja (PEF) ja ultraheli (USA) kombinatsioonil on positiivne mõju füüsikalis-keemiliste, bioaktiivsete ühendite ja ekstraktide keemilise struktuuri ekstraheerimisele. Mandlite ekstraheerimisel on kombineeritud töötlemine (PEF–USA) andnud kõrgeima fenoolide üldsisalduse, flavonoidide üldsisalduse, kondenseeritud tanniinide, antotsüaniinide sisalduse ja antioksüdantide aktiivsuse. See vähendas võimsust ja metalli kelaatimist.
Ultraheli (USA) ja impulss-elektrivälja (PEF) saab kasutada protsessi efektiivsuse ja tootmiskiiruse suurendamiseks fermentatsiooniprotsessides, parandades massiülekannet ja rakkude läbilaskvust.
Impulsselektrivälja ja ultraheliravi kombinatsioon mõjutab õhu kuivatamise kineetikat ja kuivatatud köögiviljade, näiteks porgandite kvaliteeti. Kuivamisaega saab vähendada 20 kuni 40%, säilitades samal ajal rehüdratatsiooniomadused.
Sono-elektrokeemia / ultraheli elektrokeemia
Lisage ultraheliga tõhustatud elektrolüüs reaktiivide tootmiseks või keemiliste reaktsioonide toodete tarbimiseks, et liigutada keemilise reaktsiooni lõplikku tasakaalu või muuta keemilise reaktsiooni rada.
Ultraheli elektroodide soovitatav seadistamine
Sondi tüüpi ultrasonikaatorite uuenduslik disain muudab standardse ultraheli sonotrode ultraheli vibreerivaks elektroodiks. See muudab elektroodide ultraheli kättesaadavamaks, hõlpsamini integreeritavaks ja hõlpsasti skaleeritavaks tootmistasemele. Teised konstruktsioonid segasid elektrolüüti ainult kahe segamata elektroodi vahel. Varjutamine ja ultraheli laine levimismustrid annavad otsese elektroodide segamisega võrreldes halvemaid tulemusi. Anoodidele või katoodidele saate lisada ultraheli vibratsiooni. Loomulikult saate elektroodide pinget ja polaarsust igal ajal muuta. Hielscher Ultrasonics elektroodid on kergesti paigaldatavad olemasolevatele seadistustele.
Suletud sonoelektrolüütilised rakud ja elektrokeemilised reaktorid
Saadaval on rõhukindel tihend ultraheli sonotrode (elektrood) ja reaktorianuma vahel. Seetõttu saate elektrolüütilist rakku kasutada muul kui ümbritseva õhu rõhul. Ultraheli ja rõhu kombinatsiooni nimetatakse mano-ultrahelitöötluseks. See võib olla huvitav, kui elektrolüüs tekitab kõrgematel temperatuuridel töötamisel või lenduvate vedelate komponentidega töötamisel gaase. Tihedalt suletud elektrokeemiline reaktor võib töötada rõhul, mis on ümbritsevast rõhust kõrgem või madalam. Tihend ultraheli elektroodi ja reaktori vahel võib olla elektrit juhtiv või isoleeriv. Viimane võimaldab reaktori seinu kasutada teise elektroodina. Loomulikult võivad reaktoril olla sisselaske- ja väljalaskeavad, mis toimivad pidevate protsesside jaoks vooluelemendi reaktorina. Hielscher Ultrasonics pakub erinevaid standardiseeritud reaktoreid ja kaetud voolurakke. Teise võimalusena saate valida mitmesuguste adapterite hulgast, et sobitada Hielscheri sonotroodid oma elektrokeemilise reaktoriga.
Kontsentriline paigutus torureaktoris
Kui ultraheliga segatud elektrood on teise segamata elektroodi lähedal või reaktori seina lähedal, levivad ultraheli lained vedeliku kaudu ja ultraheli lained töötavad ka teistel pindadel. Ultraheli segatud elektrood, mis on kontsentriliselt orienteeritud torus või reaktoris, võib hoida siseseinad saastumisest või kogunenud tahketest ainetest vabana.
temperatuur
Standardsete Hielscheri sonotroodide kasutamisel elektroodidena võib elektrolüüdi temperatuur olla vahemikus 0 kuni 80 kraadi Celsiuse järgi. Soovi korral on saadaval teiste elektrolüütide temperatuuride sonotroodid vahemikus -273 kraadi Celsiuse järgi kuni 500 kraadi Celsiuse järgi. Ultraheli ja temperatuuri kombinatsiooni nimetatakse termo-ultrahelitöötluseks.
Viskoossus
Kui elektrolüüdi viskoossus pärsib massiülekannet, võib ultraheli segamine elektrolüüsi ajal olla kasulik, kuna see parandab materjali ülekandumist elektroodidesse ja elektroodidest.
Sono-elektrolüüs pulseeriva vooluga
Ultraheli segatud elektroodide pulseeriv vool põhjustab alalisvoolust (DC) erinevaid tooteid. Näiteks Pulseeriv vool võib suurendada osooni ja hapniku suhet, mis tekib anoodil happelise vesilahuse, nt lahjendatud väävelhappe elektrolüüsil. Etanooli impulssvoolu elektrolüüs tekitab peamiselt happe asemel aldehüüdi.
Elektro-ultrahelitöötluse seadmed
Hielscher Ultrasonics töötas välja spetsiaalse sonoelektrokeemilise uuenduse tööstuslike muundurite jaoks. Täiustatud andur töötab peaaegu kõigi Hielscheri sonotrootide tüüpidega.
Ultraheli elektroodid (Sonotrodes)
Sonotroodid on ultraheli generaatorist elektriliselt eraldatud. Seetõttu saate ultraheli sonotrode ühendada elektripingega, nii et sonotrode võib toimida elektroodina. Sonotroodide ja maapinna kontakti vaheline standardne elektriisolatsiooni on 2,5 mm. Seetõttu võite sonotrode'ile rakendada kuni 2500 volti. Standardsed sonotroodid on tahked ja valmistatud titaanist. Seetõttu ei ole elektroodivoolule peaaegu mingit piirangut. Titaanil on hea korrosioonikindlus paljude leeliseliste või happeliste elektrolüütide suhtes. Võimalikud on alternatiivsed sonotrode materjalid, nagu alumiinium (Al), teras (Fe), roostevaba teras, nikkel-kroom-molübdeen või nioobium. Hielscher pakub kulutõhusaid ohvrianoodsonotroode, mis on valmistatud näiteks alumiiniumist või terasest.
Ultraheli generaator, toiteallikas
Ultraheli generaator ei vaja muudatusi ja kasutab standardset pistikupesa maapinnaga. Anduri sarv ja kõik anduri ja generaatori välispinnad on muidugi ühendatud pistikupesa maapinnaga. Sonotrode ja kinnituselement on ainsad elektroodipingega ühendatud osad. See hõlbustab seadistuse kujundamist. Sonotrode saab ühendada alalisvooluga (DC), pulseeriva alalisvoolu või vahelduvvooluga (AC). Ultraheli elektroode saab kasutada vastavalt anoodide või katoodidena.
Tootmisseadmed elektro-ultrahelitöötlusprotsesside jaoks
Võite kasutada mis tahes Hielscheri ultraheli seadet, näiteks UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT või UIP4000hdT, et ühendada kuni 4000 vatti ultraheli võimsust mis tahes standardse sonotrode või cascatrode'iga. Ultraheli pinna intensiivsus sonotrode pinnal võib olla vahemikus 1 vatt kuni 100 vatti vatti ruutsentimeetri kohta. Saadaval on erinevad sonotrode geomeetriad amplituudidega 1 mikron kuni 150 mikronit (tipp-tipp). Ultraheli sagedus 20kHz on väga efektiivne kavitatsiooni ja akustilise voogesituse genereerimisel elektrolüüdis. Hielscheri ultraheli seadmed võivad töötada 24 tundi päevas, seitse päeva nädalas. Võite töötada pidevalt täisvõimsusel või pulseerida, nt elektroodide perioodiliseks puhastamiseks. Hielscher Ultrasonics võib pakkuda ultraheli elektroode kuni 16 kilovatti ultraheli võimsus (mehaaniline agitatsioon) ühe elektroodi kohta. Elektroodidega ühendatava elektrienergia jaoks pole peaaegu mingit piirangut.
Veel üks asi: sono-elektrostaatiline pihustamine
Hielscher Ultrasonics teeb seadmeid vedelike pihustamiseks, nebuliseerimiseks, pihustamiseks või aerosolüüsimiseks. Ultraheli pihustamine sonotrode võib anda vedeliku udu või aerosoolidele positiivse laengu. See ühendab ultraheli pihustamise elektrostaatilise pihustustehnoloogiaga, nt katmisprotsesside jaoks.
Kirjandus / Viited
- 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.