سامانهٔ سونوالکتروشیمی – فراصوت با توان 2000 وات
سونوالکتروشیمی مزایای الکتروشیمی را با سونوشیمی ترکیب می‌کند. بزرگ‌ترین مزیت این روش‌ها سادگی، هزینهٔ کم، بازتولیدپذیری و مقیاس‌پذیری آن‌هاست. Hielscher Ultrasonics سامانهٔ کامل سونوالکتروشیمی را برای کاربردهای ناپیوسته و درون‌خطی ارائه می‌دهد. این سامانه شامل موارد زیر است:
- یک ژنراتور فراصوتی پیشرفته (2000 وات) با تنظیم خودکار، کنترل دامنه و ثبت پیشرفتهٔ داده‌ها،
- یک مبدل قدرتمند مجهز به هورن فراصوتی (ردهٔ صنعتی، 2000 وات، 20kHz)،
- یک عایق الکتریکی که ارتعاشات فراصوتی را کاهش نمی‌دهد
- هورن‌های بوستر فراصوتی برای افزایش یا کاهش دامنه
- طرح‌های مختلف سونوتْرود (سونوتْرود همان الکترود است؛ کاتد یا آند.)
- راکتور سلول جریان با دیواره‌های قابل‌تعویض سلول (آلومینیوم، فولاد زنگ‌نزن، فولاد، مس، …)
لازم نیست صرفاً برای ترکیب فراصوت با الکتروشیمی، وقت خود را صرف توسعهٔ سامانه‌ای اختصاصی کنید. نیازی هم به ایجاد تغییرات الکتریکی در تجهیزات استاندارد فراصوت ندارید. این سامانهٔ صنعتی سونوالکتروشیمی را تهیه کنید و تلاش و زمان خود را بر پژوهش‌های شیمیایی و بهینه‌سازی فرایندتان متمرکز سازید!
سامانهٔ کامل سونوالکتروشیمی با راکتور سلول جریان
سامانهٔ آماده‌به‌کار برای سونوالکتروشیمی
Hielscher Ultrasonics سامانهٔ سونوالکتروشیمی با کاربری آسان و پیکربندی انعطاف‌پذیر و قابل‌تطبیق ارائه می‌دهد. این سامانه برای تحقیق و توسعهٔ عمومی، بهینه‌سازی فرایند و همچنین تولید در مقیاس متوسط مناسب است. سونوتْرود دستگاه UIP2000hdT (2000 وات، 20kHz) را می‌توان به‌عنوان الکترود در یک سامانهٔ ناپیوسته یا به‌صورت درون‌خطی همراه با سلول جریان به کار برد. این دستگاه طراحی منحصربه‌فردی برای جداسازی الکتریکی دارد. ارتقای مبدل برای کاربرد سونوالکتروشیمی، توان فراصوتی را کاهش نمی‌دهد.
سونوتْرود/الکترود استاندارد از تیتانیوم گرید 5 ساخته شده و به‌گونه‌ای طراحی شده است که یکنواختی شدت فراصوت را در امتداد سطح جانبی خود بهینه کند. طرح‌ها و مواد دیگری مانند آلومینیوم، فولاد یا فولاد زنگ‌نزن نیز موجود هستند. راکتور ویژهٔ سلول جریان در این طرح، بدنه‌ای آلومینیومی دارد که اتصالات پلاستیکی در دو انتها آن را از نظر الکتریکی عایق می‌کنند. پروفیل آلومینیومی را می‌توان به‌عنوان الکترود فداشوندهٔ کم‌هزینه به کار برد و به‌آسانی با مواد دیگری مانند فولاد، فولاد زنگ‌نزن یا مس جایگزین کرد. سلول‌هایی با قطرها یا طرح‌های دیگر نیز موجود هستند. در سلول نشان‌داده‌شده در نقشه، فاصلهٔ بین الکترود فراصوتی و بدنهٔ سلول حدود 2–4 mm است. بنابراین، امواج فراصوت در سطح بدنهٔ سلول نیز موجب جریان آکوستیکی و کاویتاسیون می‌شوند. همهٔ اقلام استاندارد این طرح در انبارهای ما در آلمان و ایالات متحده موجود هستند. البته می‌توانید از همین سامانه برای تمام فرایندهای فراصوتی و سونوشیمیایی غیرالکتریکی دیگر نیز استفاده کنید. این سامانه برای فرایندهای کمک‌گرفته از فراصوت با پالس‌های الکتریکی بالا (HEP) نیز کار می‌کند.
اجزای پیشرفتهٔ ردهٔ صنعتی
بسیاری از مشتریان از UIP2000hdT برای گذار از آزمون‌های رومیزی به تولید استفاده می‌کنند. تمام دستگاه‌های Hielscher برای کارکرد پیوسته – 24h/7d/365d – ساخته شده‌اند. UIP2000hdT به صفحه‌نمایش لمسی، رابط اترنت، ثبت داده‌ها به‌صورت 24/7 در قالب CSV سازگار با Excel روی کارت SD و ترموکوپل برای پایش دما مجهز است. می‌توانید UIP2000hdT را از طریق مرورگر خود کنترل کنید. حسگر فشار دیجیتالی که به UIP2000hdT متصل می‌شود نیز موجود است. UIP2000hdT می‌تواند توان خروجی خالص واقعی در الکترود را به شما نشان دهد. این مقدار، توان مکانیکی خالص فراصوتی در مایع است. به‌این‌ترتیب می‌توانید تک‌تک ثانیه‌های فراصوت‌دهی را، برای مثال با هدف کنترل یا بهینه‌سازی فرایند، پایش و تأیید کنید. دستگاه‌های فراصوتی Hielscher نتایجی با بازتولیدپذیری و تکرارپذیری بسیار بالا ارائه می‌دهند. می‌توانید نتایج خود را به‌صورت خطی به مقیاس تولید تعمیم دهید. البته تیم فنی Hielscher در طراحی و اجرای آزمایش‌های مناسب از شما پشتیبانی می‌کند و Hielscher برای عملی‌کردن فرایندتان با شما همکاری خواهد کرد.
این سامانهٔ سونوالکتروشیمی تقریباً همهٔ نیازها را برآورده می‌کند. شاید تنها چیزی که باقی می‌ماند، یک UIP2000hdT دیگر به‌عنوان الکترود دوم باشد.
اگر به‌تازگی وارد این شاخه از شیمی شده‌اید، در ادامه اطلاعات بیشتری دربارهٔ سونوشیمی، الکتروشیمی و سونوالکتروشیمی خواهید یافت.
سونوشیمی + الکتروشیمی = سونوالکتروشیمی
سونوالکتروشیمی ترکیبی از الکتروشیمی و سونوشیمی است.
الکتروشیمی
الکتروشیمی، الکتریسیته را به شیمی‌فیزیک می‌افزاید. این روش، ابزاری پیشرفته برای فعال‌سازی معرف‌ها یا واکنش‌دهنده‌ها از طریق انتقال الکترون است و دگرگونی‌های شیمیایی هدفمند و گزینشی را امکان‌پذیر می‌کند. الکتروشیمی پدیده‌ای سطحی است.
سونوشیمی
سونوشیمی، جریان آکوستیکی و کاویتاسیونی و انرژی فعال‌سازی را به واکنش‌های شیمیایی می‌افزاید. مهم‌ترین سازوکار در سونوشیمی، کاویتاسیون است. فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون در میدان فراصوتی، نقاط داغ موضعی با شرایط بسیار شدید ایجاد می‌کند؛ از جمله دماهای بیش از 5000 Kelvin، فشارهای تا 1000 atmospheres و جت‌های مایع با سرعت تا 1000 kilometers per hour. این امر واکنش‌های الکتروشیمیایی را در سطح الکترودها بهبود می‌دهد.
دربارهٔ سونوشیمی بیشتر بخوانید!
سونوالکتروشیمی
سونوالکتروشیمی با اعمال فراصوت‌دهی به یک سامانهٔ الکتروشیمیایی، دو روش یادشده را ترکیب می‌کند. فراصوت بر پارامترهای مهم الکتروشیمیایی و کارایی فرایندهای شیمیایی اثر می‌گذارد. حضور فراصوت، محلول الکتروشیمیایی یا هیدرودینامیک آنالیت الکتروشیمیایی را در سلول الکتروشیمیایی به‌میزان زیادی بهبود می‌دهد. اتصال الکترود به هورن فراصوتی، تأثیرات مثبتی بر فعالیت سطح الکترود و پروفیل غلظت گونه‌های آنالیت الکتروشیمیایی در سراسر سلول دارد. اثرات مکانیکی ناشی از صوت، انتقال جرم گونه‌های الکتروشیمیایی از تودهٔ محلول به سطح فعال الکتروشیمیایی را بهبود می‌دهند. الکترود فراصوتی ضخامت لایهٔ نفوذ در سطح الکترود را کاهش می‌دهد؛ ضخامت لایهٔ حاصل از رسوب‌دهی الکترودی/آبکاری الکتریکی را افزایش می‌دهد؛ نرخ‌ها، بازده‌ها و کارایی‌های الکتروشیمیایی را بالا می‌برد؛ تخلخل و سختی رسوب الکترودی را افزایش می‌دهد؛ خروج گاز از محلول‌های الکتروشیمیایی را بهبود می‌بخشد؛ سطح الکترود را پاک‌سازی و دوباره فعال می‌کند؛ با رفع پسیواسیون فلز و حذف حباب‌های گاز از سطح الکترود (بر اثر کاویتاسیون و جریان آکوستیکی)، اضافه‌پتانسیل‌های الکترود را کاهش می‌دهد؛ و رسوب‌گرفتگی الکترود را مهار می‌کند. کاربردهای سونوالکتروشیمی شامل الکتروپلیمریزاسیون، انعقاد الکتریکی، الکتروسنتز آلی، الکتروشیمی مواد، الکتروشیمی محیط‌زیست، شیمی تجزیهٔ الکتروشیمیایی، تولید هیدروژن و رسوب‌دهی الکترودی است.
تجهیزات فراصوتی آماده‌به‌کار برای فرایندهای سونوالکتروشیمیایی
سونوالکتروشیمی در کاربردهای شیمی جریان
اگر فرایندهای سونوالکتروشیمیایی را در سامانه‌ای جریانی انجام دهید، می‌توانید با تغییر دبی، زمان ماند واکنش‌های سونوالکتروشیمیایی را تنظیم کنید. می‌توانید برای قرارگیری مکرر مواد در معرض فرایند، آن‌ها را بازچرخانی کنید یا فقط یک‌بار از میان سلول پمپ کنید. بازچرخانی می‌تواند برای کنترل دما سودمند باشد؛ برای مثال، با عبور جریان از مبدل حرارتی برای سرمایش یا گرمایش.
اگر در خروجی راکتور سلول سونوالکتروشیمیایی از شیر فشار برگشتی استفاده کنید، می‌توانید فشار داخل سلول را افزایش دهید. فشار داخل سلول پارامتری بسیار مهم برای تشدید فراصوت‌دهی و تأثیرگذاری بر تولید فازهای گازی است. این پارامتر هنگام کار با واکنش‌دهنده‌ها یا محصولاتی با نقطهٔ جوش پایین نیز اهمیت دارد.
کار در حالت جریان عبوری، کارکرد پیوسته و در نتیجه تولید حجم‌های بیشتر را امکان‌پذیر می‌کند.
اگر ماده بین دو الکترود، برای مثال سونوتْرود و دیوارهٔ سلول، جریان داشته باشد، می‌توانید فاصلهٔ بین الکترودها را کاهش دهید. این کار کنترل بهتر تعداد الکترون‌های منتقل‌شده و گزینش‌پذیری بهتر واکنش را امکان‌پذیر می‌کند و می‌تواند دقت، توزیع و بازده محصول را بهبود دهد.
به‌طور کلی، واکنش‌های سونوالکتروشیمیایی در آرایش راکتور سلول جریان می‌توانند بسیار سریع‌تر از واکنش متناظر در فرایندی ناپیوسته باشند. واکنش‌هایی که ممکن است تا چندین ساعت طول بکشند، می‌توانند در چند دقیقه تکمیل شوند و محصول بهتری تولید کنند.
منابع علمی / مراجع
- 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.