Sono-elektrokeemia ja selle eelised

Siit leiate kõik, mida vajate ultraheli elektrokeemia (sonoelektrokeemia) kohta: tööpõhimõte, rakendused, eelised ja sono-elektrokeemilised seadmed – Kogu asjakohane teave sonoelektrokeemia kohta ühel lehel.

Miks rakendada ultraheli elektrokeemiale?

Madala sagedusega, suure intensiivsusega ultraheli lainete ja elektrokeemiliste süsteemide kombinatsioonil on mitmeid eeliseid, mis parandavad elektrokeemiliste reaktsioonide efektiivsust ja konversioonikiirust.

Ultraheli tööpõhimõte

Suure jõudlusega ultraheli töötlemiseks genereerib ultraheli generaator suure intensiivsusega, madala sagedusega ultraheli ja edastatakse ultraheli sondi (sonotrode) kaudu vedelikku. Suure võimsusega ultraheli peetakse ultraheliks vahemikus 16-30kHz. Ultraheli sond laieneb ja tõmbub kokku nt 20 kHz juures, edastades seeläbi söötmesse vastavalt 20 000 vibratsiooni sekundis. Kui ultraheli lained liiguvad läbi vedeliku, tekitavad vahelduvad kõrgsurve (kokkusurumine)? madala rõhu (haruldane või laienemine) tsüklid minutilised vaakummullid või õõnsused, mis kasvavad mitme rõhutsükli jooksul. Vedeliku ja mullide kokkusurumisfaasis on rõhk positiivne, samas kui haruldane faas tekitab vaakumi (negatiivne rõhk). Kompressiooni-paisumistsüklite ajal kasvavad vedeliku õõnsused, kuni nad saavutavad suuruse, mille juures nad ei suuda rohkem energiat absorbeerida. Sel hetkel implodeeruvad nad vägivaldselt. Nende õõnsuste implosioon põhjustab mitmesuguseid väga energilisi efekte, mida tuntakse akustilise? ultraheli kavitatsiooni nähtusena. Akustilist kavitatsiooni iseloomustavad mitmesugused väga energilised mõjud, mis mõjutavad nii vedelikke, tahkeid? vedelaid süsteeme kui ka gaasi-? vedelikusüsteeme. Energiatihe tsoon või kavitatsioonitsoon on tuntud kui nn hot-spot tsoon, mis on ultraheli sondi vahetus läheduses kõige energiatihedam ja väheneb sonotrode kauguse suurenemisega. Ultraheli kavitatsiooni põhiomadused hõlmavad lokaalselt esinevaid väga kõrgeid temperatuure ja rõhkusid ning vastavaid erinevusi, turbulentsi ja vedeliku voogesitust. Ultraheli õõnsuste implosiooni ajal ultraheli kuumades kohtades saab mõõta temperatuuri kuni 5000 kelvinit, rõhku kuni 200 atmosfääri ja vedelikujoad kuni 1000km? h. Need silmapaistvad energiamahukad tingimused aitavad kaasa sonomehaanilistele ja sonokeemilistele mõjudele, mis intensiivistavad elektrokeemilisi süsteeme mitmel viisil.

Ultraheli mõju elektrokeemilistele süsteemidele

Ultraheli rakendamine elektrokeemilistele reaktsioonidele on tuntud erinevate mõjude kohta elektroodidele, s.t. anoodile ja katoodile, samuti elektrolüütilisele lahusele. Ultraheli kavitatsioon ja akustiline voogesitus tekitavad märkimisväärset mikroliikumist, mõjutades vedelikujoad ja segades reaktsioonivedelikku. Selle tulemuseks on parem hüdrodünaamika ja vedela/tahke segu liikumine. Ultraheli kavitatsioon vähendab difusioonikihi efektiivset paksust elektroodil. Vähendatud difusioonikiht tähendab, et ultrahelitöötlus minimeerib kontsentratsiooni erinevust, mis tähendab, et elektroodi läheduses oleva kontsentratsiooni lähenemist ja kontsentratsiooni väärtust lahtises lahuses edendatakse ultraheliga. Ultraheli agitatsiooni mõju kontsentratsiooni gradientidele reaktsiooni ajal tagab värske lahuse püsiva söötmise elektroodile ja reageerinud materjali eemaldamise. See tähendab, et ultrahelitöötlus parandas üldist kineetikat, kiirendades reaktsioonikiirust ja suurendades reaktsiooni saagist.
Ultraheli energia sisseviimisega süsteemi, samuti vabade radikaalide sonokeemilise moodustumisega saab alustada elektrokeemilist reaktsiooni, mis muidu oleks olnud elektroinaktiivne. 
Teine oluline akustilise vibratsiooni ja voogedastuse mõju on puhastusefekt elektroodipindadele. Kihtide passiivsemine ja saastumine elektroodidel piiravad elektrokeemiliste reaktsioonide efektiivsust ja reaktsioonikiirust. Ultraheli hoiab elektroodid püsivalt puhtana ja reaktsiooniks täielikult aktiivsena. Ultraheli on tuntud oma degaseeriva toime poolest, mis on kasulikud ka elektrokeemilistes reaktsioonides. Soovimatute gaaside eemaldamine vedelikust võib reaktsioon olla tõhusam.

Sonoelektrokeemia rakendused

Sonoelektrokeemiat saab rakendada erinevates protsessides ja erinevates tööstusharudes. Sonoelektrokeemia väga levinud rakendused on järgmised:

• Nanoosakeste süntees (elektrosüntees)
• vesiniku süntees
• elektrokoagulatsioon
• Reovee puhastamine
• Emulsioonide purustamine
• Galvaniseerimine? elektrodepositsioon

Nanoosakeste sono-elektrokeemiline süntees

Ultraheli rakendati edukalt erinevate nanoosakeste sünteesimiseks elektrokeemilises süsteemis. Magnetiit, kaadmium-seleeni (CdSe) nanotorud, plaatina nanoosakesed (NP), kulla NP-d, metalliline magneesium, vismuteen, nano-hõbe, ülipeen vask, volfram-koobalt (W–Co) sulami nanoosakesed, samaaria? redutseeritud grafeenoksiidi nanokomposiit, sub-1nm polü(akrüülhappe) kattega vase nanoosakesed ja paljud teised nanosuuruses pulbrid on piisavalt toodetud sonoelektrokeemia abil.
Sonoelektrokeemilise nanoosakeste sünteesi eelised hõlmavad järgmist:

• Redutseerijate ja pindaktiivsete ainete vältimine
• vee kasutamine lahustina
• nanoosakeste suuruse reguleerimine erinevate parameetritega (ultraheli võimsus, voolutihedus, sadestuspotentsiaal ja ultraheli vs elektrokeemiline impulss korda)

Ashasssi-Sorkhabi ja Bagheri (2014) sünteesisid sonoelektrokeemiliselt polüpürroolifilme ja võrdlesid tulemusi elektrokeemiliselt sünteesitud polüpürroolikiledega. Tulemused näitavad, et galvanostaatiline sonoelektrodepositsioon tekitas terasele tugevalt kleepuva ja sileda polüpürrooli (PPy) kile, mille voolutihedus oli 4 mA cm–2 0,1 M oksaalhappe? 0,1 M pürroolilahuses. Kasutades sonoelektrokeemilist polümerisatsiooni, said nad sileda pinnaga kõrge vastupidavusega ja sitked PPy-kiled. On näidatud, et sonoelektrokeemia abil valmistatud PPy katted tagavad St-12 terasele olulise korrosioonikaitse. Sünteesitud kate oli ühtlane ja sellel oli kõrge korrosioonikindlus. Kõik need tulemused võivad olla tingitud asjaolust, et ultraheli suurendas reaktiivide massiülekannet ja põhjustas akustilise kavitatsiooni kaudu kõrgeid keemilisi reaktsioonikiirusi ning sellest tulenevaid kõrgeid temperatuure ja rõhku. KK teisenduste abil kontrolliti St-12 terase? kahe PPy katte? söövitava meediumiliidese impedantsi andmete kehtivust ja täheldati madalaid keskmisi vigu.

Hass ja Gedanken (2008) teatasid metalliliste magneesiumi nanoosakeste edukast sono-elektrokeemilisest sünteesist. Gringardi reaktiivi sonoelektrokeemilise protsessi efektiivsus tetrahüdrofuraanis (THF) või dibutüüldiglümeemi lahuses oli vastavalt 41, 35% ja 33, 08%. AlCl3 lisamine Gringardi lahusele suurendas efektiivsust dramaatiliselt, tõstes seda vastavalt 82,70% ja 51,69% -ni THF-is või dibutüüldiglüümis.

Sono-elektrokeemiline vesiniku tootmine

Ultraheli edendatud elektrolüüs suurendab oluliselt vesiniku saagist veest või leeliselistest lahustest. Klõpsake siin, et lugeda rohkem ultraheli kiirendatud elektrolüütilise vesiniku sünteesi kohta!

Ultraheli abil elektrokoagulatsioon

Madala sagedusega ultraheli rakendamine elektrokoagulatsioonisüsteemidele on tuntud kui sono-elektrokoagulatsioon. Uuringud näitavad, et ultrahelitöötlus mõjutab elektrokoagulatsiooni positiivselt, mis tuleneb näiteks raudhüdroksiidide suuremast eemaldamise efektiivsusest reoveest. Ultraheli positiivne mõju elektrokoagulatsioonile on seletatav elektroodide passiveerimise vähendamisega. Madala sagedusega, suure intensiivsusega ultraheli hävitab sadestunud tahke kihi ja eemaldab need tõhusalt, hoides seeläbi elektroodid pidevalt täielikult aktiivsena. Lisaks aktiveerib ultraheli mõlemad ioontüübid, s.t. katioonid ja anioonid, mis esinevad elektroodide reaktsioonitsoonis. Ultraheli agitatsiooni tulemuseks on lahuse kõrge mikroliikumine, mis toidab ja viib tooraine ja toote elektroodidesse ja elektroodidest välja.
Edukate sono-elektrokoagulatsiooniprotsesside näideteks on Cr(VI) redutseerimine Cr(III)-ks farmatseutilises reovees, üldfosfori eemaldamine peenkeemiatööstuse heitvetest, mille fosfori eemaldamise efektiivsus oli 99,5% 10 minuti jooksul, värvi ja KHT eemaldamine tselluloosi- ja paberitööstuse heitvetest jne. Teatatud värvi, COD, Cr(VI), Cu(II) ja P eemaldamise tõhusus oli vastavalt 100%, 95%, 100%, 97.3% ja 99.84%. (vrd Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Saasteainete sono-elektrokeemiline lagundamine

Ultraheli edendatud elektrokeemilisi oksüdatsiooni- ja? või redutseerimisreaktsioone rakendatakse võimsa meetodina keemilise saasteaine lagundamiseks. Sonomehaanilised ja sonokeemilised mehhanismid soodustavad saasteainete elektrokeemilist lagunemist. Ultraheli genereeritud kavitatsioon põhjustab intensiivset segamist, mikro-segamist, massiülekannet ja passiivsete kihtide eemaldamist elektroodidest. Need kavitatsioonilised mõjud põhjustavad peamiselt tahke vedeliku massiülekande suurenemist elektroodide ja lahuse vahel. Sonokeemilised mõjud mõjutavad otseselt molekule. Molekulide homolüütiline lõhustamine tekitab väga reaktiivseid oksüdeerijaid. Vesikeskkonnas ja hapniku juuresolekul tekivad radikaalid nagu HO•, HO2• ja O•. •OH-radikaalid on teadaolevalt olulised orgaaniliste materjalide tõhusaks lagunemiseks. Üldiselt näitab sono-elektrokeemiline lagunemine suurt efektiivsust ja sobib suure koguse reoveevoogude ja muude saastunud vedelike töötlemiseks.
Näiteks leidsid Lllanos jt (2016), et vee desinfitseerimiseks saadi märkimisväärne sünergiline toime, kui elektrokeemilist süsteemi intensiivistati ultrahelitöötlusega (sono-elektrokeemiline desinfitseerimine). Leiti, et see desinfitseerimiskiiruse suurenemine on seotud E. coli raku aggolomeraatide pärssimisega ning desinfektsioonivahendite suurenenud tootmisega. 
(2010) näitas, et trikloroäädikhappe (TCAA) lagunemise laiendamisel kasutati spetsiaalselt projekteeritud sonoelektrokeemilist reaktorit (kuid mitte optimeeritud), UIP1000hd-ga tekitatud ultrahelivälja olemasolu andis paremaid tulemusi (fraktsionaalne muundamine 97%, lagunemisefektiivsus 26%, selektiivsus 0,92 ja voolutugevus 8%) madalamate ultraheli intensiivsuste ja mahulise voolu korral. Arvestades asjaolu, et piloodieelne sonoelektrokeemiline reaktor ei olnud veel optimeeritud, on väga tõenäoline, et neid tulemusi saab veelgi parandada.

Ultraheli voltammeetria ja elektrodepositsioon

Elektrodepositsioon viidi läbi galvanostaatiliselt voolutihedusega 15 mA/cm2. Lahustele tehti ultraheliuuring enne elektrodepositsiooni 5–60 minutit. A Hielscher UP200S sondi tüüpi ultrasonikaator kasutati tsükli ajal 0,5. Ultraheli saavutati ultraheli sondi otse lahusesse kastmisega. Ultraheli mõju hindamiseks lahusele enne elektrodepositsiooni kasutati tsüklilist voltammeetriat (CV), et paljastada lahuse käitumine ja võimaldada ennustada ideaalseid tingimusi elektrodepositsiooniks. On täheldatud, et kui lahus läbib ultraheliuuringu enne elektrodepositsiooni, algab sadestumine vähem negatiivsetest potentsiaalsetest väärtustest. See tähendab, et samal voolul lahuses on vaja vähem potentsiaali, kuna lahuses olevad liigid käituvad aktiivsemalt kui mitte-ultraheliga varustatud. (vrd Yurdal & Karahan 2017)

Suure jõudlusega elektrokeemilised sondid ja SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics on teie pikaajaline kogenud partner suure jõudlusega ultraheli süsteemide jaoks. Toodame ja levitame tipptasemel ultraheli sonde ja reaktoreid, mida kasutatakse kogu maailmas raskeveokite jaoks nõudlikes keskkondades. Sonoelektrokeemia jaoks on Hielscher välja töötanud spetsiaalsed ultraheli sondid, mis võivad toimida katoodi ja? või anoodina, samuti elektrokeemiliste reaktsioonide jaoks sobivad ultraheli reaktorirakud. Ultraheli elektroodid ja rakud on saadaval nii galvaaniliste? voltaatiliste kui ka elektrolüütiliste süsteemide jaoks.

Täpselt kontrollitavad amplituudid optimaalsete tulemuste saavutamiseks

Kõik Hielscheri ultraheli protsessorid on täpselt kontrollitavad ja seega usaldusväärsed tööhobused R-is&D ja tootmine. Amplituud on üks olulisi protsessi parameetreid, mis mõjutavad sonokeemiliselt ja sonomehaaniliselt indutseeritud reaktsioonide tõhusust ja tõhusust. Kõik Hielscheri ultraheli’ processors allow for the precise setting of the amplitude. Hielscher’s industrial ultrasonic processors can deliver very high amplitudes and deliver the required ultrasonic intensity for demanding sono-electrochamical applications. Amplitudes of up to 200µm can be easily continuously run in 24/7 operation.
Täpsed amplituudi seaded ja ultraheli protsessi parameetrite püsiv jälgimine nutika tarkvara kaudu annavad teile võimaluse mõjutada sonoelektrokeemilist reaktsiooni täpselt. Iga ultrahelitöötluse ajal salvestatakse kõik ultraheli parameetrid automaatselt sisseehitatud SD-kaardile, nii et iga jooksu saab hinnata ja kontrollida. Optimaalne ultrahelitöötlus kõige tõhusamate sonoelektrokeemiliste reaktsioonide jaoks!
All equipment is built for the 24/7/365 use under full load and its robustness and reliability make it the work horse in your electrochemical process. This makes Hielscher’s ultrasonic equipment a reliable work tool that fulfils your sonoelectrochemical process requirements.

Kõrgeim kvaliteet – Disainitud ja toodetud Saksamaal

As a family-owned and family-run business, Hielscher prioritizes highest quality standards for its ultrasonic processors. All ultrasonicators are designed, manufactured and thoroughly tested in our headquarter in Teltow near Berlin, Germany. Robustness and reliability of Hielscher’s ultrasonic equipment make it a work horse in your production. 24/7 operation under full load and in demanding environments is a natural characteristic of Hielscher’s high-performance ultrasonic probes and reactors.

Võtke meiega kohe ühendust ja rääkige meile oma elektrokeemiliste protsesside nõuetest! Soovitame teile kõige sobivamaid ultraheli elektroode ja reaktori seadistust!