سونوالکتروشیمی و مزایای آن

در این صفحه، هرآنچه باید دربارهٔ الکتروشیمی فراصوتی (سونوالکتروشیمی) بدانید، خواهید یافت: اصل کار، کاربردها، مزایا و تجهیزات سونوالکتروشیمیایی – همهٔ اطلاعات مرتبط با سونوالکتروشیمی در یک صفحه.

چرا از فراصوت در الکتروشیمی استفاده کنیم؟

ترکیب امواج فراصوت با فرکانس پایین و شدت بالا با سامانه‌های الکتروشیمیایی، مزایای متعددی دارد که کارایی و نرخ تبدیل واکنش‌های الکتروشیمیایی را بهبود می‌بخشند.

اصل کار فراصوت

برای پردازش فراصوتی با عملکرد بالا، فراصوت با شدت بالا و فرکانس پایین توسط یک مولد فراصوت تولید و از طریق پروب فراصوتی (سونوتْرود) به مایع منتقل می‌شود. فراصوت در محدودهٔ 16–30kHz، فراصوت پرتوان در نظر گرفته می‌شود. پروب فراصوتی، برای مثال در فرکانس 20kHz، منبسط و منقبض می‌شود و در نتیجه 20٬000 ارتعاش در ثانیه به محیط منتقل می‌کند. هنگامی که امواج فراصوت در مایع حرکت می‌کنند، چرخه‌های متناوب فشار بالا (تراکم) / فشار پایین (انبساط یا رقیق‌شدگی) حباب‌های بسیار ریز خلأ یا حفره‌هایی ایجاد می‌کنند که طی چندین چرخهٔ فشار رشد می‌کنند. در مرحلهٔ تراکم مایع و حباب‌ها، فشار مثبت است، در حالی که مرحلهٔ انبساط، خلأ (فشار منفی) ایجاد می‌کند. طی چرخه‌های تراکم و انبساط، حفره‌های درون مایع رشد می‌کنند تا به اندازه‌ای برسند که دیگر نتوانند انرژی بیشتری جذب کنند. در این نقطه، به‌شدت به درون فرو می‌پاشند. فروپاشی این حفره‌ها، اثرات گوناگون و بسیار پرانرژی ایجاد می‌کند که با عنوان پدیدهٔ کاویتاسیون آکوستیکی / فراصوتی شناخته می‌شوند. کاویتاسیون آکوستیکی با اثرات متعدد و بسیار پرانرژی مشخص می‌شود که بر مایعات، سامانه‌های جامد/مایع و نیز سامانه‌های گاز/مایع تأثیر می‌گذارند. ناحیهٔ دارای چگالی بالای انرژی یا ناحیهٔ کاویتاسیون، اصطلاحاً ناحیهٔ نقاط داغ نامیده می‌شود؛ چگالی انرژی در مجاورت نزدیک پروب فراصوتی بیشترین مقدار را دارد و با افزایش فاصله از سونوتْرود کاهش می‌یابد. ویژگی‌های اصلی کاویتاسیون فراصوتی شامل دماها و فشارهای موضعی بسیار بالا و اختلاف‌های متناظر آن‌ها، آشفتگی و جریان مایع است. هنگام فروپاشی حفره‌های فراصوتی در نقاط داغ فراصوتی، دماهایی تا 5000 Kelvin، فشارهایی تا 200 atmospheres و جت‌های مایع با سرعت تا 1000km/h قابل اندازه‌گیری هستند. این شرایط استثنایی و بسیار پرانرژی به ایجاد اثرات سونومکانیکی و سونوشیمیایی کمک می‌کنند که سامانه‌های الکتروشیمیایی را به روش‌های گوناگون تقویت می‌کنند.

اثرات فراصوت بر سامانه‌های الکتروشیمیایی

استفاده از فراصوت‌دهی در واکنش‌های الکتروشیمیایی به‌دلیل اثرات گوناگون آن بر الکترودها، یعنی آند و کاتد، و نیز محلول الکترولیتی شناخته شده است. کاویتاسیون فراصوتی و جریان آکوستیکی، ریزحرکت‌های قابل‌توجه، جت‌های برخوردی مایع و هم‌زدگی در سیال واکنش ایجاد می‌کنند. این امر موجب بهبود هیدرودینامیک و حرکت مخلوط مایع/جامد می‌شود. کاویتاسیون فراصوتی ضخامت مؤثر لایهٔ نفوذ در الکترود را کاهش می‌دهد. کاهش ضخامت لایهٔ نفوذ به این معناست که فراصوت‌دهی اختلاف غلظت را به حداقل می‌رساند؛ به‌عبارت دیگر، فراصوت نزدیک‌شدن غلظت در مجاورت الکترود به غلظت تودهٔ محلول را تسهیل می‌کند. تأثیر هم‌زدگی فراصوتی بر گرادیان‌های غلظت در حین واکنش، تأمین پیوستهٔ محلول تازه برای الکترود و دورکردن مواد واکنش‌داده را تضمین می‌کند. بنابراین، فراصوت‌دهی سینتیک کلی را بهبود می‌بخشد و موجب افزایش سرعت و بازده واکنش می‌شود.
با واردکردن انرژی فراصوتی به سامانه و نیز تشکیل سونوشیمیایی رادیکال‌های آزاد، می‌توان واکنش الکتروشیمیایی را آغاز کرد که در غیر این صورت از نظر الکتروشیمیایی غیرفعال می‌ماند. یکی دیگر از اثرات مهم ارتعاش و جریان آکوستیکی، پاک‌سازی سطوح الکترود است. لایه‌های غیرفعال‌کننده و رسوب‌گرفتگی الکترودها، کارایی و سرعت واکنش‌های الکتروشیمیایی را محدود می‌کنند. فراصوت‌دهی الکترودها را همواره تمیز و برای واکنش کاملاً فعال نگه می‌دارد. فراصوت‌دهی به‌دلیل اثرات گاززدایی خود نیز شناخته شده است که در واکنش‌های الکتروشیمیایی هم سودمند هستند. با حذف گازهای ناخواسته از مایع، واکنش می‌تواند مؤثرتر پیش برود.

کاربردهای سونوالکتروشیمی

سونوالکتروشیمی را می‌توان در فرایندهای گوناگون و صنایع مختلف به کار برد. کاربردهای بسیار رایج سونوالکتروشیمی شامل موارد زیر هستند:

• سنتز نانوذرات (الکتروسنتز)
• سنتز هیدروژن
• انعقاد الکتریکی
• تصفیهٔ فاضلاب
• شکستن امولسیون‌ها
• آبکاری الکتریکی / رسوب‌دهی الکتریکی
• گرمایش اهمی

سنتز سونوالکتروشیمیایی نانوذرات

فراصوت‌دهی با موفقیت برای سنتز نانوذرات گوناگون در یک سامانهٔ الکتروشیمیایی به کار گرفته شده است. مگنتیت، نانولوله‌های کادمیم–سلنیوم (CdSe)، نانوذرات پلاتین (NPs)، نانوذرات طلا، منیزیم فلزی، بیسموتن، نانونقره، مس فوق‌ریز، نانوذرات آلیاژ تنگستن–کبالت (W–Co)، نانوکامپوزیت اکسید ساماریم/اکسید گرافن کاهش‌یافته، نانوذرات مس با اندازهٔ کمتر از 1nm و پوشش پلی(اکریلیک اسید) و بسیاری از پودرهای دیگر با ابعاد نانومتری، با استفاده از سونوالکتروشیمی با موفقیت تولید شده‌اند.
مزایای سنتز سونوالکتروشیمیایی نانوذرات عبارت‌اند از:

• پرهیز از استفاده از عوامل کاهنده و سورفکتانت‌ها
• استفاده از آب به‌عنوان حلال
• تنظیم اندازهٔ نانوذرات با تغییر پارامترها (توان فراصوتی، چگالی جریان، پتانسیل رسوب‌دهی و زمان پالس‌های فراصوتی در مقایسه با پالس‌های الکتروشیمیایی)

Ashasssi-Sorkhabi و Bagheri (2014) فیلم‌های پلی‌پیرول را به روش سونوالکتروشیمیایی سنتز کردند و نتایج را با فیلم‌های پلی‌پیرول سنتزشده به روش الکتروشیمیایی مقایسه کردند. نتایج نشان می‌دهند که رسوب‌دهی سونوالکتریکی گالوانواستاتیک، در چگالی جریان 4 mA cm–2 و در محلول اسید اگزالیک 0٫1 M/پیرول 0٫1 M، فیلم پلی‌پیرول (PPy) صاف و با چسبندگی قوی روی فولاد ایجاد کرد. آن‌ها با استفاده از پلیمریزاسیون سونوالکتروشیمیایی، فیلم‌های PPy با مقاومت بالا، چقرمه و دارای سطح صاف به دست آوردند. نشان داده شده است که پوشش‌های PPy تهیه‌شده به روش سونوالکتروشیمی، حفاظت قابل‌توجهی در برابر خوردگی برای فولاد St-12 فراهم می‌کنند. پوشش سنتزشده یکنواخت بود و مقاومت بالایی در برابر خوردگی نشان داد. همهٔ این نتایج را می‌توان به این واقعیت نسبت داد که فراصوت، انتقال جرم واکنش‌دهنده‌ها را افزایش داد و از طریق کاویتاسیون آکوستیکی و دماها و فشارهای بالای حاصل از آن، موجب سرعت بالای واکنش‌های شیمیایی شد. اعتبار داده‌های امپدانس برای فصل مشترک فولاد St-12/دو پوشش PPy/محیط خورنده با استفاده از تبدیل‌های KK بررسی شد و میانگین خطاهای پایینی مشاهده شد.

Hass و Gedanken (2008) سنتز موفق سونوالکتروشیمیایی نانوذرات منیزیم فلزی را گزارش کردند. بازده‌های فرایند سونوالکتروشیمیایی واکنشگر گرینگارد در تتراهیدروفوران (THF) یا در محلول دی‌بوتیل‌دی‌گلیم، به‌ترتیب 41٫35% و 33٫08% بودند. افزودن AlCl3 به محلول گرینگارد، بازده را به‌طور چشمگیری افزایش داد و آن را در THF یا دی‌بوتیل‌دی‌گلیم به‌ترتیب به 82٫70% و 51٫69% رساند.

تولید سونوالکتروشیمیایی هیدروژن

الکترولیز تقویت‌شده با فراصوت، بازده تولید هیدروژن از آب یا محلول‌های قلیایی را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ سنتز الکترولیتی هیدروژن با شتاب‌دهی فراصوتی، اینجا کلیک کنید!

انعقاد الکتریکی به کمک فراصوت

اعمال فراصوت با فرکانس پایین به سامانه‌های انعقاد الکتریکی، انعقاد سونوالکتریکی نامیده می‌شود. مطالعات نشان می‌دهند که فراصوت‌دهی تأثیر مثبتی بر انعقاد الکتریکی دارد و برای مثال، موجب افزایش بازده حذف هیدروکسیدهای آهن از فاضلاب می‌شود. تأثیر مثبت فراصوت بر انعقاد الکتریکی با کاهش غیرفعال‌شدن الکترود توضیح داده می‌شود. فراصوت با فرکانس پایین و شدت بالا، لایهٔ جامد رسوب‌کرده را تخریب و به‌طور مؤثر حذف می‌کند و به این ترتیب، الکترودها را پیوسته کاملاً فعال نگه می‌دارد. افزون بر این، فراصوت هر دو نوع یون، یعنی کاتیون‌ها و آنیون‌های موجود در ناحیهٔ واکنش الکترودها را فعال می‌کند. هم‌زدگی فراصوتی، ریزحرکت‌های شدیدی در محلول ایجاد می‌کند که مواد اولیه را به الکترودها می‌رسانند و محصول را از آن‌ها دور می‌کنند.
نمونه‌هایی از فرایندهای موفق انعقاد سونوالکتریکی عبارت‌اند از کاهش Cr(VI) به Cr(III) در فاضلاب دارویی، حذف فسفر کل از پساب صنایع مواد شیمیایی ظریف با بازده حذف فسفر 99٫5% طی 10 min.، حذف رنگ و COD از پساب صنایع خمیر و کاغذ و موارد دیگر. بازده‌های گزارش‌شده برای حذف رنگ، COD، Cr(VI)، Cu(II) و P به‌ترتیب 100%، 95%، 100%، 97٫3% و 99٫84% بودند. (رجوع کنید به Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

تجزیهٔ سونوالکتروشیمیایی آلاینده‌ها

واکنش‌های اکسایش و/یا کاهش الکتروشیمیایی تقویت‌شده با فراصوت، به‌عنوان روشی قدرتمند برای تجزیهٔ آلاینده‌های شیمیایی به کار می‌روند. سازوکارهای سونومکانیکی و سونوشیمیایی، تجزیهٔ الکتروشیمیایی آلاینده‌ها را تقویت می‌کنند. کاویتاسیون ایجادشده با فراصوت موجب هم‌زدگی شدید، ریزاختلاط، انتقال جرم و حذف لایه‌های غیرفعال‌کننده از الکترودها می‌شود. این اثرات کاویتاسیونی عمدتاً انتقال جرم جامد–مایع بین الکترودها و محلول را افزایش می‌دهند. اثرات سونوشیمیایی مستقیماً بر مولکول‌ها تأثیر می‌گذارند. شکافت همولیتیک مولکول‌ها، اکسنده‌های بسیار واکنش‌پذیر ایجاد می‌کند. در محیط‌های آبی و در حضور اکسیژن، رادیکال‌هایی مانند HO•، HO2• و O• تولید می‌شوند. رادیکال‌های •OH به‌عنوان عوامل مهم در تجزیهٔ مؤثر مواد آلی شناخته می‌شوند. در مجموع، تجزیهٔ سونوالکتروشیمیایی کارایی بالایی دارد و برای تصفیهٔ حجم زیادی از جریان‌های فاضلاب و سایر مایعات آلوده مناسب است.
برای مثال، Lllanos و همکاران (2016) دریافتند که با تقویت سامانهٔ الکتروشیمیایی از طریق فراصوت‌دهی (گندزدایی سونوالکتروشیمیایی)، اثر هم‌افزایی قابل‌توجهی در گندزدایی آب حاصل می‌شود. مشخص شد که این افزایش سرعت گندزدایی با مهار تجمعات سلولی E. coli و نیز افزایش تولید گونه‌های گندزدا مرتبط است. Esclapez و همکاران (2010) نشان دادند که هنگام افزایش مقیاس تجزیهٔ اسید تری‌کلرواستیک (TCAA) با استفاده از یک راکتور سونوالکتروشیمیایی با طراحی ویژه (اما بهینه‌سازی‌نشده)، حضور میدان فراصوت تولیدشده با UIP1000hd، در شدت‌های فراصوتی و دبی حجمی پایین‌تر، نتایج بهتری فراهم کرد (تبدیل کسری 97%، بازده تجزیه 26%، گزینش‌پذیری 0٫92 و بازده جریان 8%). با توجه به اینکه راکتور سونوالکتروشیمیایی پیش‌پایلوت هنوز بهینه‌سازی نشده بود، بسیار محتمل است که این نتایج باز هم بهبود یابند.

ولتامتری فراصوتی و رسوب‌دهی الکتریکی

رسوب‌دهی الکتریکی به روش گالوانواستاتیک در چگالی جریان 15 mA/cm2 انجام شد. محلول‌ها پیش از رسوب‌دهی الکتریکی، به‌مدت 5–60 دقیقه تحت فراصوت‌دهی قرار گرفتند. یک دستگاه Hielscher سونیکاتور پروبی UP200S با زمان چرخهٔ 0٫5 به کار گرفته شد. فراصوت‌دهی با فروبردن مستقیم پروب فراصوتی در محلول انجام شد. برای ارزیابی تأثیر فراصوت بر محلول پیش از رسوب‌دهی الکتریکی، از ولتامتری چرخه‌ای (CV) استفاده شد تا رفتار محلول مشخص و پیش‌بینی شرایط ایدئال رسوب‌دهی الکتریکی امکان‌پذیر شود. مشاهده می‌شود که وقتی محلول پیش از رسوب‌دهی الکتریکی تحت فراصوت‌دهی قرار می‌گیرد، رسوب‌دهی در مقادیر پتانسیل با منفی‌بودن کمتر آغاز می‌شود. این بدان معناست که در جریان یکسان در محلول، پتانسیل کمتری لازم است، زیرا گونه‌های موجود در محلول نسبت به محلول‌های فراصوت‌دهی‌نشده فعال‌تر رفتار می‌کنند. (رجوع کنید به Yurdal & Karahan 2017)
دربارهٔ رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی پوشش‌های تقویت‌شده با نانو بیشتر بخوانید!

پروب‌های الکتروشیمیایی با عملکرد بالا و SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics، با سال‌ها تجربه، شریک شما در زمینهٔ سامانه‌های فراصوتی با عملکرد بالا است. ما پروب‌ها و راکتورهای فراصوتی پیشرفته‌ای تولید و عرضه می‌کنیم که در سراسر جهان برای کاربردهای سنگین در محیط‌های دشوار به کار می‌روند. Hielscher برای سونوالکتروشیمی، پروب‌های فراصوتی ویژه‌ای توسعه داده است که می‌توانند به‌عنوان کاتد و/یا آند عمل کنند؛ همچنین سلول‌های راکتور فراصوتی مناسب برای واکنش‌های الکتروشیمیایی ارائه می‌دهد. الکترودها و سلول‌های فراصوتی برای سامانه‌های گالوانی / ولتایی و نیز سامانه‌های الکترولیتی در دسترس هستند.

دامنه‌های قابل‌کنترل دقیق برای دستیابی به نتایج بهینه

همهٔ پردازشگرهای فراصوتی Hielscher به‌طور دقیق قابل‌کنترل هستند و ازاین‌رو، ابزارهایی قابل‌اعتماد و مناسب کار مداوم در تحقیق و توسعه و تولید به شمار می‌روند. دامنه یکی از پارامترهای حیاتی فرایند است که بر کارایی و اثربخشی واکنش‌های القاشده به روش سونوشیمیایی و سونومکانیکی تأثیر می‌گذارد. همهٔ پردازشگرهای Hielscher Ultrasonics امکان تنظیم دقیق دامنه را فراهم می‌کنند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher می‌توانند دامنه‌های بسیار بالا و شدت فراصوتی موردنیاز برای کاربردهای دشوار سونوالکتروشیمیایی را تأمین کنند. کارکرد پیوستهٔ 24/7 با دامنه‌هایی تا 200µm به‌آسانی امکان‌پذیر است.
تنظیم دقیق دامنه و پایش دائمی پارامترهای فرایند فراصوتی از طریق نرم‌افزار هوشمند، به شما امکان می‌دهد به‌طور دقیق بر واکنش سونوالکتروشیمیایی تأثیر بگذارید. در هر نوبت فراصوت‌دهی، همهٔ پارامترهای فراصوتی به‌طور خودکار روی کارت SD داخلی ثبت می‌شوند تا هر نوبت قابل ارزیابی و کنترل باشد. فراصوت‌دهی بهینه برای کارآمدترین واکنش‌های سونوالکتروشیمیایی!
همهٔ تجهیزات برای استفادهٔ 24/7/365 تحت بار کامل ساخته شده‌اند و استحکام و قابلیت اعتماد آن‌ها، این تجهیزات را به ابزارهایی مناسب کار مداوم در فرایند الکتروشیمیایی شما تبدیل می‌کند. به این ترتیب، تجهیزات فراصوتی Hielscher ابزارهایی قابل‌اعتماد هستند که الزامات فرایند سونوالکتروشیمیایی شما را برآورده می‌کنند.

بالاترین کیفیت – طراحی و ساخت در آلمان

Hielscher به‌عنوان شرکتی با مالکیت و مدیریت خانوادگی، بالاترین استانداردهای کیفیت را برای پردازشگرهای فراصوتی خود در اولویت قرار می‌دهد. همهٔ سونیکاتورها در مقر اصلی ما در تلتو، نزدیک برلین در آلمان، طراحی و تولید می‌شوند و تحت آزمون‌های کامل قرار می‌گیرند. استحکام و قابلیت اعتماد تجهیزات فراصوتی Hielscher، آن‌ها را به ابزارهایی مناسب کار مداوم در تولید شما تبدیل می‌کند. کارکرد 24/7 تحت بار کامل و در محیط‌های دشوار، ویژگی ذاتی پروب‌ها و راکتورهای فراصوتی با عملکرد بالای Hielscher است.

همین حالا با ما تماس بگیرید و الزامات فرایند الکتروشیمیایی خود را با ما در میان بگذارید! ما مناسب‌ترین الکترودهای فراصوتی و آرایش راکتور را به شما پیشنهاد خواهیم کرد!