Sonoelektrokeemia ja selle eelised

Siit leiate kõik, mida peate teadma ultraheli elektrokeemiast (sonoelektrokeemiast): tööpõhimõte, rakendused, eelised ja sonoelektrokeemilised seadmed – kogu oluline teave sonoelektrokeemia kohta ühel lehel.

Miks rakendada ultraheli elektrokeemias?

Madalsagedusliku ja suure intensiivsusega ultraheli lainete kombineerimisel elektrokeemiliste süsteemidega on mitmeid eeliseid, mis parandavad elektrokeemiliste reaktsioonide efektiivsust ja konversioonimäära.

Ultraheli tööpõhimõte

Suure jõudlusega ultraheli töötluseks tekitab suure intensiivsusega madalsagedusliku ultraheli ultraheligeneraator ning see kantakse ultrahelisondi (sonotroodi) kaudu vedelikku. Suure võimsusega ultraheliks loetakse ultraheli vahemikus 16–30kHz. Ultrahelisond laieneb ja tõmbub kokku nt sagedusel 20kHz, edastades vastavalt 20 000 vibratsiooni sekundis söötmesse. Kui ultraheli lained levivad läbi vedeliku, tekitavad vahelduvad kõrgsurve- (kompressioon) ja madalsurvetsüklid (hõrenemine ehk paisumine) pisikesi vaakumimulle ehk õõnsusi, mis kasvavad mitme survetsükli jooksul. Vedeliku ja mullide kompressioonifaasis on rõhk positiivne, hõrenemisfaas aga tekitab vaakumi (negatiivse rõhu). Kompressiooni-paisumistsüklite ajal kasvavad vedelikus olevad õõnsused, kuni jõuavad suuruseni, mille juures nad ei suuda rohkem energiat neelata. Sel hetkel need implodeerivad vägivaldselt. Nende õõnsuste implosioon põhjustab mitmesuguseid väga energiarikkaid efekte, mida tuntakse akustilise / ultraheli kavitatsiooni nähtusena. Akustilist kavitatsiooni iseloomustavad mitmesugused väga energiarikkad efektid, mis mõjutavad vedelikke, tahke aine ja vedeliku süsteeme ning gaasi ja vedeliku süsteeme. Energiatihedat tsooni ehk kavitatsioonitsooni nimetatakse niinimetatud kuumpunkti tsooniks, mis on kõige energiatihedam ultrahelisondi vahetus läheduses ja nõrgeneb sonotroodist kauguse suurenedes. Ultraheli kavitatsiooni peamised tunnused on lokaalselt esinevad väga kõrged temperatuurid ja rõhud ning vastavad erinevused, turbulents ja vedeliku voolamine. Ultraheli õõnsuste implosiooni ajal ultraheli kuumpunktides saab mõõta kuni 5000 kelvini suuruseid temperatuure, kuni 200 atmosfääri suuruseid rõhke ning vedelikujuge kiirusega kuni 1000km/h. Need erakordselt energiaintensiivsed tingimused soodustavad sonomehaanilisi ja sonokeemilisi efekte, mis intensiivistavad elektrokeemilisi süsteeme mitmel viisil.

Ultraheli mõju elektrokeemilistele süsteemidele

Ultraheli töötluse rakendamine elektrokeemilistele reaktsioonidele on tuntud mitmesuguse mõju poolest elektroodidele, s.o anoodile ja katoodile, ning elektrolüüdilahusele. Ultraheli kavitatsioon ja akustiline voolamine tekitavad reaktsioonivedelikus olulist mikroliikumist, vedelikujugade lööke ja segunemist. Selle tulemusel paranevad hüdrodünaamika ning vedela ja tahke segu liikumine. Ultraheli kavitatsioon vähendab difusioonikihi efektiivset paksust elektroodi juures. Vähenenud difusioonikiht tähendab, et sonikeerimine minimeerib kontsentratsioonide erinevust, ehk ultraheli abil soodustatakse kontsentratsiooni elektroodi läheduses ja kontsentratsiooniväärtuse põhilahuses lähenemist. Ultraheli segamise mõju kontsentratsioonigradientidele reaktsiooni ajal tagab värske lahuse pideva juurdevoolu elektroodile ja reageerinud materjali äravoolu. See tähendab, et ultraheli töötlus parandas üldist kineetikat, kiirendades reaktsioonikiirust ja suurendades reaktsiooni saagist.
Ultraheli energia viimine süsteemi ning vabade radikaalide sonokeemiline teke võivad käivitada elektrokeemilise reaktsiooni, mis muidu oleks olnud elektroinaktiivne. Teine oluline akustilise vibratsiooni ja voolamise mõju on elektroodide pindade puhastav toime. Passiveerivad kihid ja saastumine elektroodidel piiravad elektrokeemiliste reaktsioonide efektiivsust ja reaktsioonikiirust. Ultraheli töötlus hoiab elektroodid püsivalt puhtad ja reaktsiooniks täielikult aktiivsed. Ultraheli töötlus on hästi tuntud oma degaseerivate mõjude poolest, mis on kasulikud ka elektrokeemilistes reaktsioonides. Kui vedelikust eemaldatakse soovimatud gaasid, võib reaktsioon kulgeda tõhusamalt.

Sonoelektrokeemia rakendused

Sonoelektrokeemiat saab rakendada mitmesugustes protsessides ja eri tööstusharudes. Sonoelektrokeemia väga levinud rakenduste hulka kuuluvad järgmised:

• Nanoosakeste süntees (elektrosüntees)
• Vesiniku süntees
• Elektrokoagulatsioon
• Reovee puhastamine
• Emulsioonide lõhkumine
• Galvaniseerimine / elektrosadestamine
• Oomiline kuumutamine

Nanoosakeste sonoelektrokeemiline süntees

Ultraheli töötlust on edukalt kasutatud mitmesuguste nanoosakeste sünteesimiseks elektrokeemilises süsteemis. Sonoelektrokeemia abil on edukalt toodetud magnetiiti, kaadmium-seleeni (CdSe) nanotorusid, plaatina nanoosakesi (NP), kulla NP-sid, metallilist magneesiumi, bismutheeni, nanohõbedat, ülipeent vaske, volfram–koobalt (W–Co) sulami nanoosakesi, samaaria/redutseeritud grafeenoksiidi nanokomposiiti, alla 1nm suuruseid polü(akrüülhappega) kaetud vase nanoosakesi ja paljusid teisi nano-suuruses pulbreid.
Sonoelektrokeemilise nanoosakeste sünteesi eelised hõlmavad

• redutseerivate ainete ja pindaktiivsete ainete vältimist
• vee kasutamist lahustina
• nanoosakeste suuruse reguleerimist parameetreid muutes (ultraheli võimsus, voolutihedus, sadestuspotentsiaal ning ultraheli ja elektrokeemiliste impulsside aegade suhe)

Ashasssi-Sorkhabi ja Bagheri (2014) sünteesisid polüpürroolkiled sonoelektrokeemiliselt ja võrdlesid tulemusi elektrokeemiliselt sünteesitud polüpürroolkiledega. Tulemused näitavad, et galvanostaatiline sonoelektrosadestamine andis terasele tugevalt nakkuva ja sileda polüpürrooli (PPy) kile, kasutades voolutihedust 4 mA cm–2 0,1 M oksaalhappe/0,1 M pürrooli lahuses. Sonoelektrokeemilist polümerisatsiooni kasutades said nad suure vastupanuvõimega ja vastupidavad PPy kiled siledate pindadega. On näidatud, et sonoelektrokeemia abil valmistatud PPy kattekihid tagavad St-12 terasele olulise korrosioonikaitse. Sünteesitud kattekiht oli ühtlane ja näitas suurt korrosioonikindlust. Kõiki neid tulemusi võib seostada asjaoluga, et ultraheli tõhustas reagentide massiülekannet ja põhjustas akustilise kavitatsiooni ning sellest tulenevate kõrgete temperatuuride ja rõhkude kaudu suuri keemilise reaktsiooni kiirusi. Impedantsandmete kehtivust St-12 terase / kahe PPy kattekihi / korrosiivse keskkonna piirpinna jaoks kontrolliti KK-teisenduste abil ning täheldati madalaid keskmisi vigu.

Hass ja Gedanken (2008) teatasid metalsete magneesiumi nanoosakeste edukast sonoelektrokeemilisest sünteesist. Gringardi reagendi sonoelektrokeemilise protsessi efektiivsus tetrahüdrofuraanis (THF) või dibutüüldiglüümi lahuses oli vastavalt 41,35% ja 33,08%. AlCl3 lisamine Gringardi lahusele suurendas efektiivsust märkimisväärselt, tõstes selle THF-is või dibutüüldiglüümis vastavalt tasemele 82,70% ja 51,69%.

Sonoelektrokeemiline vesiniku tootmine

Ultraheli abil stimuleeritud elektrolüüs suurendab oluliselt vesiniku saagist veest või aluselistest lahustest. Klõpsake siia, et lugeda lähemalt ultraheli abil kiirendatud elektrolüütilise vesiniku sünteesi kohta!

Ultraheli abil toetatud elektrokoagulatsioon

Madalsagedusliku ultraheli rakendamist elektrokoagulatsioonisüsteemidele nimetatakse sonoelektrokoagulatsiooniks. Uuringud näitavad, et ultraheli töötlus mõjutab elektrokoagulatsiooni positiivselt, mille tulemuseks on nt rauahüdroksiidide suurem eemaldamise efektiivsus reoveest. Ultraheli positiivset mõju elektrokoagulatsioonile selgitatakse elektroodide passivatsiooni vähenemisega. Madalsageduslik ja suure intensiivsusega ultraheli lõhub sadestunud tahke kihi ning eemaldab selle tõhusalt, hoides elektroodid seeläbi pidevalt täielikult aktiivsena. Lisaks aktiveerib ultraheli mõlemat tüüpi ioone, st katioone ja anioone, mis asuvad elektroodide reaktsioonitsoonis. Ultraheli segamine põhjustab lahuse tugevat mikroliikumist, mis toob elektroodideni lähteainet ja toote ning viib need elektroodidelt ära.
Edukate sonoelektrokoagulatsiooniprotsesside näideteks on Cr(VI) redutseerimine Cr(III)-ks farmaatsiatööstuse reovees, summaarse fosfori eemaldamine peenkeemiatööstuse heitvetest fosfori eemaldamise efektiivsusega 99,5% 10 minuti jooksul, värvuse ja KHT eemaldamine tselluloosi- ja paberitööstuse heitvetest jne. Teatatud eemaldamisefektiivsused värvuse, KHT, Cr(VI), Cu(II) ja P puhul olid vastavalt 100%, 95%, 100%, 97,3% ja 99,84%. (vrd Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Saasteainete sonoelektrokeemiline lagundamine

Ultraheli abil edendatud elektrokeemilisi oksüdatsiooni- ja/või redutseerimisreaktsioone rakendatakse võimsa meetodina keemiliste saasteainete lagundamiseks. Sonomehaanilised ja sonokeemilised mehhanismid soodustavad saasteainete elektrokeemilist lagunemist. Ultraheli tekitatud kavitatsioon põhjustab intensiivset segunemist, mikrosegunemist, massiülekannet ning passiveerivate kihtide eemaldamist elektroodidelt. Need kavitatsiooniefektid suurendavad peamiselt tahke aine ja vedeliku vahelist massiülekannet elektroodide ja lahuse vahel. Sonokeemilised efektid mõjutavad otseselt molekule. Molekulide homolüütiline lõhustumine tekitab väga reaktiivseid oksüdeerijaid. Vesikeskkonnas ja hapniku juuresolekul tekivad radikaalid, nagu HO•, HO2• ja O•. •OH-radikaalide on teadaolevalt oluline roll orgaaniliste materjalide tõhusas lagundamises. Kokkuvõttes on sono-elektrokeemiline lagundamine väga tõhus ning sobib suurte reovee- ja muude saastunud vedelikuvoogude töötlemiseks.
Näiteks leidsid Lllanos jt (2016), et vee desinfitseerimisel saadi oluline sünergiline efekt, kui elektrokeemilist süsteemi intensiivistati ultraheli töötlusega (sono-elektrokeemiline desinfitseerimine). Desinfitseerimiskiiruse selle tõusu seostati E. coli rakuagregaatide pärssimisega ning desinfitseerivate ühendite suurenenud tekkega. Esclapez jt (2010) näitasid, et trikloroäädikhappe (TCAA) lagundamise suurendamisel kasutati spetsiaalselt kavandatud sonoelektrokeemilist reaktorit (siiski optimeerimata) ning UIP1000hd abil tekitatud ultraheliväli andis paremaid tulemusi (osaline konversioon 97%, lagundamise efektiivsus 26%, selektiivsus 0,92 ja voolu efektiivsus 8%) madalamate ultraheli intensiivsuste ja mahulise vooluhulga juures. Arvestades, et pilootieelne sonoelektrokeemiline reaktor polnud veel optimeeritud, on väga tõenäoline, et neid tulemusi on võimalik veelgi parandada.

Ultraheli voltammmeetria ja elektrosadestamine

Elektrosadestamine viidi läbi galvanostaatiliselt voolutihedusel 15 mA/cm2. Lahuseid töödeldi enne elektrosadestamist ultraheliga 5–60 minutit. Kasutati Hielscheri UP200S sondtüüpi ultraheli töötlusseadet tsükliajaga 0,5. Ultraheli töötlus teostati ultraheli sondi otse lahusesse kastmisega. Ultraheli mõju hindamiseks lahusele enne elektrosadestamist kasutati tsüklilist voltammeetriat (CV), et selgitada lahuse käitumist ja võimaldada ennustada elektrosadestamise ideaalseid tingimusi. On täheldatud, et kui lahust töödeldakse enne elektrosadestamist ultraheliga, algab sadestumine vähem negatiivsetel potentsiaaliväärtustel. See tähendab, et sama voolu korral on lahuses vaja väiksemat potentsiaali, kuna lahuses olevad osakesed käituvad aktiivsemalt kui ultraheliga töötlemata lahuses. (vrd Yurdal & Karahan 2017)
Loe lähemalt nanoparandatud kattekihtide sonoelektrokeemilise sadestamise kohta!

Suure jõudlusega elektrokeemilised sondid ja SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics on teie pikaajalise kogemusega partner suure jõudlusega ultraheli süsteemide valdkonnas. Me toodame ja turustame uusimat tehnoloogiat esindavaid ultraheli sonde ja reaktoreid, mida kasutatakse kogu maailmas raskeks tööks nõudlikes keskkondades. Sonoelektrokeemia jaoks on Hielscher arendanud spetsiaalsed ultraheli sondid, mis võivad toimida katoodi ja/või anoodina, ning elektrokeemilisteks reaktsioonideks sobivad ultraheli reaktorikambrid. Ultraheli elektroode ja kambreid on saadaval nii galvaaniliste / voltaaniliste kui ka elektrolüütiliste süsteemide jaoks.

Täpselt reguleeritavad amplituudid optimaalsete tulemuste saavutamiseks

Kõik Hielscheri ultraheli protsessorid on täpselt reguleeritavad ja seega töökindlad tööhobused nii teadus- ja arendustöös kui ka tootmises. Amplituud on üks olulisemaid protsessiparameetreid, mis mõjutavad sonokeemiliselt ja sonomehaaniliselt esilekutsutud reaktsioonide tõhusust ja efektiivsust. Kõik Hielscher Ultrasonicsi protsessorid võimaldavad amplituudi täpset seadistamist. Hielscheri tööstuslikud ultraheli protsessorid suudavad anda väga suuri amplituude ning tagada nõudlike sonoelektrokeemiliste rakenduste jaoks vajaliku ultraheli intensiivsuse. Kuni 200 µm amplituudidega saab hõlpsasti pidevalt töötada ööpäevaringses 24/7 režiimis.
Täpne amplituudi seadistus ja ultraheli protsessi parameetrite pidev jälgimine nutika tarkvara abil annavad teile võimaluse sonoelektrokeemilist reaktsiooni täpselt mõjutada. Iga ultraheli töötluse (sonikeerimise) käigus salvestatakse kõik ultraheli parameetrid automaatselt sisseehitatud SD-kaardile, nii et iga töötsüklit saab hinnata ja kontrollida. Optimaalne ultraheli töötlus kõige tõhusamate sonoelektrokeemiliste reaktsioonide jaoks!
Kõik seadmed on ehitatud 24/7/365 kasutamiseks täiskoormusel ning nende vastupidavus ja töökindlus teevad neist tööhobuse teie elektrokeemilises protsessis. Seetõttu on Hielscheri ultraheliseadmed usaldusväärne töövahend, mis vastab teie sonoelektrokeemilise protsessi nõuetele.

Kõrgeim kvaliteet – kavandatud ja toodetud Saksamaal

Pere omanduses olevat ja perekonna juhitavat ettevõtet esindades seab Hielscher oma ultraheli protsessoritele kõrgeimad kvaliteedistandardid. Kõik ultraheli seadmed (sonikaatorid) kavandatakse, toodetakse ja testitakse põhjalikult meie peakorteris Teltowis Berliini lähedal Saksamaal. Hielscheri ultraheliseadmete vastupidavus ja töökindlus teevad neist tööhobuse teie tootmises. Ööpäevaringne 24/7 töö täiskoormusel ja nõudlikes keskkondades on Hielscheri suure jõudlusega ultraheli sondide ja reaktorite loomulik omadus.

Võtke meiega kohe ühendust ja rääkige meile oma elektrokeemilise protsessi nõuetest! Soovitame teile sobivaimad ultraheli elektroodid ja reaktori lahenduse!