Sähköavusteinen ultraäänikäsittely – ultraäänielektrodit

Sähköavusteisessa ultraäänikäsittelyssä yhdistyvät sähkön ja ultraäänikäsittelyn vaikutukset. Hielscher Ultrasonics kehitti uuden ja elegantin menetelmän, jolla mitä tahansa sonotrodia voidaan käyttää elektrodina. Näin ultraäänen teho kohdistuu suoraan ultraäänielektrodin ja nesteen väliseen rajapintaan. Siellä se voi edistää elektrolyysiä, parantaa aineensiirtoa ja hajottaa rajakerroksia tai kerrostumia. Hielscher toimittaa tuotantokäyttöön tarkoitettuja laitteita sähköavusteiseen ultraäänikäsittelyyn kaikenkokoisissa erä- ja läpivirtausprosesseissa. Sähköavusteiseen ultraäänikäsittelyyn voidaan yhdistää paineavusteinen ultraäänikäsittely (paine) ja lämpöavusteinen ultraäänikäsittely (lämpötila).

Ultraäänielektrodien käyttökohteet

Ultraäänen käyttö elektrodeissa on uusi teknologia, joka hyödyttää monia erilaisia prosesseja elektrolyysissä, galvanoinnissa, sähköisessä puhdistuksessa, vedyn tuotannossa ja sähkökoagulaatiossa, hiukkassynteesissä tai muissa sähkökemiallisissa reaktioissa. Hielscher Ultrasonics tarjoaa helposti saatavilla olevia ultraäänielektrodeja tutkimus- ja kehitystyöhön laboratorio- tai pilot-mittakaavan elektrolyysissä. Kun olet testannut ja optimoinut elektrolyysiprosessisi, voit käyttää Hielscher Ultrasonicsin tuotantomittakaavan ultraäänilaitteita prosessitulostesi skaalaamiseen teolliseen tuotantoon. Alla on ehdotuksia ja suosituksia ultraäänielektrodien käyttöön.

Sonoelektrolyysi (ultraäänielektrolyysi)

Elektrolyysi on atomien ja ionien välistä muuntumista, jossa elektroneja poistetaan tai lisätään sähkövirran vaikutuksesta. Elektrolyysituotteiden olomuoto voi poiketa elektrolyytin olomuodosta. Elektrolyysi voi tuottaa kiinteitä aineita, kuten saostumia tai kiinteitä kerroksia kummalle tahansa elektrodille. Vaihtoehtoisesti elektrolyysi voi tuottaa kaasuja, kuten vetyä, klooria tai happea. Elektrodin ultraäänivärähtely voi irrottaa kiinteitä kerrostumia elektrodin pinnalta. Ultraäänikaasunpoisto muodostaa nopeasti suurempia kaasukuplia mikrokuplien liuenneista kaasuista. Tämä nopeuttaa kaasumaisten tuotteiden erottumista elektrolyytistä.

Ultraäänilaite UIP2000hdT (2 000 wattia, 20 kHz) katodina ja/tai anodina elektrolyysikennossa

Ultraäänellä tehostettu aineensiirto elektrodin pinnalla

Elektrolyysiprosessin aikana tuotteita kertyy elektrodien lähelle tai elektrodin pinnalle. Ultraäänivärähtely on erittäin tehokas keino lisätä aineensiirtoa rajakerroksissa. Tämä vaikutus tuo tuoretta elektrolyyttiä kosketuksiin elektrodin pinnan kanssa. Kavitaation synnyttämä virtaus kuljettaa elektrolyysituotteita, kuten kaasuja tai kiinteitä aineita, pois elektrodin pinnalta. Näin estetään prosessia haittaavien eristävien kerrosten muodostuminen.

Ultraäänen vaikutukset hajoamispotentiaaliin

Anodin, katodin tai molempien elektrodien ultraäänivärähtely saattaa vaikuttaa hajoamispotentiaaliin tai hajoamisjännitteeseen. Pelkän kavitaation tiedetään hajottavan molekyylejä ja tuottavan vapaita radikaaleja tai otsonia. Kavitaation ja elektrolyysin yhdistäminen ultraäänellä tehostetussa elektrolyysissä saattaa vaikuttaa elektrolyysikennon anodin ja katodin väliseen vähimmäisjännitteeseen, joka tarvitaan elektrolyysin tapahtumiseen. Kavitaation mekaaniset ja sonokemialliset vaikutukset saattavat myös parantaa elektrolyysin energiatehokkuutta.

Ultraääni elektrolyyttisessä puhdistuksessa ja elektrolyyttisessä talteenotossa

Elektrolyyttisessä puhdistuksessa metallien, kuten kuparin, kiinteät kerrostumat voidaan muuttaa elektrolyytissä olevien kiinteiden hiukkasten suspensioksi. Elektrolyyttisessä talteenotossa, jota kutsutaan myös sähköuutoksi, metallien sähkösaostus niiden malmeista voidaan muuttaa kiinteäksi saostumaksi. Yleisiä elektrolyyttisesti talteen otettavia metalleja ovat lyijy, kupari, kulta, hopea, sinkki, alumiini, kromi, koboltti, mangaani sekä harvinaiset maametallit ja alkalimetallit.
Ultraäänikäsittely on tehokas keino myös malmien liuotukseen.

Nesteiden sonoelektrolyyttinen puhdistus

Puhdista neste, esimerkiksi vesiliuos, kuten jätevesi, liete tai vastaava, johtamalla liuos kahden elektrodin sähkökentän läpi! Elektrolyysi voi desinfioida tai puhdistaa vesiliuoksia. NaCI-liuoksen syöttäminen yhdessä veden kanssa elektrodien läpi tai niiden yli tuottaa Cl2:ta tai CIO2:ta, jotka voivat hapettaa epäpuhtauksia ja desinfioida veden tai vesiliuokset. Jos vesi sisältää riittävästi luonnollisia klorideja, lisäystä ei tarvita.
Elektrodin ultraäänivärähtely voi ohentaa elektrodin ja veden välisen rajakerroksen mahdollisimman ohueksi. Tämä voi parantaa aineensiirtoa useita kertaluokkia. Ultraäänivärähtely ja kavitaatio vähentävät merkittävästi polarisaation aiheuttamaa mikroskooppisten kuplien muodostumista. Ultraäänielektrodien käyttö elektrolyysissä parantaa elektrolyyttistä puhdistusprosessia huomattavasti.

Sonosähkökoagulaatio (ultraäänisähkökoagulaatio)

Sähkökoagulaatio on jätevedenkäsittelymenetelmä, jolla poistetaan epäpuhtauksia, kuten emulgoitunutta öljyä, öljyhiilivetyjä kokonaisuudessaan, vaikeasti hajoavia orgaanisia aineita, suspendoituneita kiintoaineita ja raskasmetalleja. Myös radioaktiivisia ioneja voidaan poistaa veden puhdistamiseksi. Ultraäänikäsittelyn lisääminen sähkökoagulaatioon, jolloin menetelmää kutsutaan myös sonosähkökoagulaatioksi, vaikuttaa myönteisesti kemiallisen hapenkulutuksen tai sameuden vähentämistehokkuuteen. Sähkökoagulaatiota sisältävät yhdistelmäkäsittelyprosessit ovat osoittautuneet huomattavasti tehokkaammiksi epäpuhtauksien poistossa teollisuusjätevesistä. Vapaita radikaaleja tuottavan vaiheen, kuten ultraäänikavitaation, yhdistäminen sähkökoagulaatioon osoittaa synergiaa ja parannuksia koko puhdistusprosessissa. Näiden ultraääntä ja elektrolyysiä yhdistävien hybridijärjestelmien käytön tarkoituksena on lisätä käsittelyn kokonaistehokkuutta ja poistaa perinteisten käsittelyprosessien haitat. Ultraääntä ja sähkökoagulaatiota yhdistävien hybridireaktorien on osoitettu inaktivoivan Escherichia coli -bakteereja vedessä.

Ultraäänilaite UIP2000hdT (2 000 wattia, 20 kHz) sonokatodina ja/tai sonoanodina säiliössä

Reagenssien tai lähtöaineiden sonoelektrolyyttinen tuottaminen paikan päällä

Monet kemialliset prosessit, kuten heterogeeniset reaktiot tai katalyysi, hyötyvät ultraäänivärähtelystä ja ultraäänikavitaatiosta. Sonokemiallinen vaikutus voi nopeuttaa reaktiota tai parantaa konversiosaantoja.
Ultraäänellä värähtelevät elektrodit tuovat uuden tehokkaan työkalun kemiallisiin reaktioihin. Nyt voit yhdistää sonokemian edut elektrolyysiin. Tuota vetyä, hydroksidi-ioneja, hypokloriittia ja monia muita ioneja tai neutraaleja aineita suoraan ultraäänikavitaatiokentässä. Elektrolyysituotteet voivat toimia kemiallisen reaktion reagensseina tai lähtöaineina.

Ultraäänen yhdistäminen pulssitettuun sähkökenttään

Pulssitetun sähkökentän (PEF) ja ultraäänen (US) yhdistelmällä on myönteisiä vaikutuksia fysikaaliskemiallisten, bioaktiivisten yhdisteiden uuttoon ja uutteiden kemialliseen rakenteeseen. Manteleiden uutossa yhdistelmäkäsittely (PEF–US) on tuottanut korkeimmat kokonaisfenolien, kokonaisflavonoidien, kondensoituneiden tanniinien ja antosyaanien pitoisuudet sekä suurimman antioksidanttiaktiivisuuden. Se vähensi tehoa ja metallien kelatointiaktiivisuutta.
Ultraääntä (US) ja pulssitettua sähkökenttää (PEF) voidaan käyttää fermentointiprosessien tehokkuuden ja tuotantonopeuden parantamiseen tehostamalla aineensiirtoa ja solujen läpäisevyyttä.
Pulssitetun sähkökentän ja ultraäänikäsittelyn yhdistelmä vaikuttaa ilmakuivauksen kinetiikkaan ja kuivattujen vihannesten, kuten porkkanoiden, laatuun. Kuivausaikaa voidaan lyhentää 20–40 % samalla kun uudelleenkostutusominaisuudet säilyvät.

Sonosähkökemia / ultraäänisähkökemia

Lisää ultraäänellä tehostettu elektrolyysi lähtöaineiden tuottamiseksi tai kemiallisten reaktioiden tuotteiden kuluttamiseksi, jotta kemiallisen reaktion lopullista tasapainoa voidaan siirtää tai reaktion kulkureittiä muuttaa.

Ehdotettu ultraäänielektrodien kokoonpano

Anturityyppisten ultraäänilaitteiden innovatiivinen rakenne muuttaa tavallisen ultraäänisonotrodin ultraäänellä värähteleväksi elektrodiksi. Tämä helpottaa ultraäänen käyttöä elektrodeissa ja sen integrointia sekä mahdollistaa helpon skaalauksen tuotantotasolle. Muut rakenteet saivat värähtelemään vain elektrolyytin kahden värähtelemättömän elektrodin välissä. Varjostuminen ja ultraääniaaltojen etenemiskuviot tuottavat heikompia tuloksia verrattuna elektrodin suoraan värähtelyyn. Ultraäänivärähtelyä voidaan käyttää joko anodeissa tai katodeissa. Voit tietenkin muuttaa elektrodien jännitettä ja napaisuutta milloin tahansa. Hielscher Ultrasonicsin elektrodit on helppo jälkiasentaa olemassa oleviin kokoonpanoihin.

Tiivistetty sonoelektrolyysikenno ja sähkökemialliset reaktorit

Ultraäänisonotrodin (elektrodin) ja reaktoriastian väliin on saatavilla painetiivis tiiviste. Siksi elektrolyysikennoa voidaan käyttää ympäristön paineesta poikkeavassa paineessa. Ultraäänen ja paineen yhdistelmää kutsutaan paineavusteiseksi ultraäänikäsittelyksi. Tämä saattaa olla kiinnostavaa, jos elektrolyysi tuottaa kaasuja, kun työskennellään korkeammissa lämpötiloissa tai kun käsitellään haihtuvia nestekomponentteja. Tiiviisti suljettu sähkökemiallinen reaktori voi toimia ympäristön painetta korkeammassa tai matalammassa paineessa. Ultraäänielektrodin ja reaktorin välinen tiiviste voidaan tehdä sähköä johtavaksi tai eristäväksi. Jälkimmäinen mahdollistaa reaktorin seinämien käyttämisen toisena elektrodina. Reaktorissa voi tietenkin olla tulo- ja lähtöliitännät, jolloin se toimii virtauskennoreaktorina jatkuvissa prosesseissa. Hielscher Ultrasonics tarjoaa erilaisia standardoituja reaktoreita ja vaipallisia virtauskennoja. Vaihtoehtoisesti voit valita useista sovittimista sopivan valmistajan Hielscher sonotrodien liittämiseksi sähkökemialliseen reaktoriisi.

Samankeskinen sijoittelu putkireaktorissa

Jos ultraäänellä värähtelevä elektrodi on lähellä toista, värähtelemätöntä elektrodia tai reaktorin seinämää, ultraääniaallot etenevät nesteen läpi ja vaikuttavat myös muihin pintoihin. Putkeen tai reaktoriin samankeskisesti sijoitettu ultraäänellä värähtelevä elektrodi voi pitää sisäseinämät puhtaina likaantumista aiheuttavista kerrostumista tai kertyneistä kiintoaineista.

Lämpötila

Kun elektrodeina käytetään Hielscherin vakiosonotrodeja, elektrolyytin lämpötila voi olla 0–80 celsiusastetta. Muihin elektrolyytin lämpötiloihin välillä -273 celsiusastetta ja 500 celsiusastetta tarkoitettuja sonotrodeja on saatavilla pyynnöstä. Ultraäänen ja lämpötilan yhdistelmää kutsutaan lämpöavusteiseksi ultraäänikäsittelyksi.

Viskositeetti

Jos elektrolyytin viskositeetti haittaa aineensiirtoa, ultraäänivärähtelyllä tapahtuva sekoitus elektrolyysin aikana voisi olla hyödyllistä, sillä se parantaa aineen siirtymistä elektrodeille ja niiltä pois.

Sonoelektrolyysi sykkivällä virralla

Sykkivä virta ultraäänellä värähtelevissä elektrodeissa tuottaa erilaisia tuotteita kuin tasavirta (DC). Esimerkiksi sykkivä virta voi lisätä anodilla syntyvän otsonin suhdetta happeen happaman vesiliuoksen, esimerkiksi laimean rikkihapon, elektrolyysissä. Etanolin elektrolyysi pulssivirralla tuottaa aldehydiä sen sijaan, että tuottaisi ensisijaisesti happoa.

Laitteet sähköavusteiseen ultraäänikäsittelyyn

Hielscher Ultrasonics kehitti teollisiin ultraäänimuuntimiin erityisen sonosähkökemiallisen päivityksen. Päivitetty ultraäänimuunnin toimii lähes kaikkien valmistajan Hielscher sonotrodityyppien kanssa.

Ultraäänielektrodit (sonotrodit)

Sonotrodit on sähköisesti erotettu ultraäänigeneraattorista. Siksi ultraäänisonotrodiin voidaan kytkeä sähköjännite, jolloin sonotrodi voi toimia elektrodina. Sonotrodien ja maadoituskoskettimen välinen vakiomallinen sähköinen eristysväli on 2,5 mm. Sonotrodiin voitaisiin siten kytkeä jopa 2 500 voltin jännite. Vakiosonotrodit ovat umpinaisia ja valmistettu titaanista. Siksi elektrodin virralle ei ole juuri rajoituksia. Titaanilla on hyvä korroosionkestävyys monissa emäksisissä tai happamissa elektrolyyteissä. Vaihtoehtoiset sonotrodimateriaalit, kuten alumiini (Al), teräs (Fe), ruostumaton teräs, nikkeli-kromi-molybdeeni tai niobium, ovat mahdollisia. Hielscher tarjoaa kustannustehokkaita uhrautuvia anodisonotrodeja, jotka on valmistettu esimerkiksi alumiinista tai teräksestä.

Ultraäänigeneraattori, virtalähde

Ultraäänigeneraattori ei tarvitse muutoksia, ja se käyttää tavallista maadoitettua pistorasiaa. Ultraäänimuuntimen torvi sekä muuntimen ja generaattorin kaikki ulkopinnat on tietenkin kytketty pistorasian maadoitukseen. Sonotrodi ja tukielementti ovat ainoat osat, jotka on kytketty elektrodijännitteeseen. Tämä helpottaa kokoonpanon suunnittelua. Sonotrodiin voidaan kytkeä tasavirta (DC), sykkivä tasavirta tai vaihtovirta (AC). Ultraäänielektrodeja voidaan käyttää joko anodeina tai katodeina.

Tuotantolaitteet sähköavusteisiin ultraäänikäsittelyprosesseihin

Voit käyttää mitä tahansa ultraäänilaitetta valmistajalta Hielscher, kuten UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT tai UIP4000hdT, kytkeäksesi jopa 4 000 wattia ultraäänitehoa mihin tahansa vakiosonotrodiin tai cascatrode-sonotrodiin. Ultraäänen pintaintensiteetti sonotrodin pinnalla voi olla välillä 1 watti ja 100 wattia watti neliösenttimetriä kohti. Saatavilla on erilaisia sonotrodigeometrioita, joiden amplitudit ovat 1–150 mikrometriä (huipusta huippuun). Ultraäänitaajuus 20 kHz on erittäin tehokas kavitaation ja akustisen virtauksen synnyttämisessä elektrolyyttiin. Valmistajan Hielscher ultraäänilaitteet voivat toimia 24 tuntia vuorokaudessa seitsemänä päivänä viikossa. Niitä voidaan käyttää jatkuvasti täydellä teholla tai pulssitettuna esimerkiksi elektrodien ajoittaiseen puhdistukseen. Hielscher Ultrasonics voi toimittaa ultraäänielektrodeja, joiden ultraääniteho (mekaaninen värähtely) on jopa 16 kilowattia yksittäistä elektrodia kohti. Elektrodeihin kytkettävälle sähköteholle ei ole juuri rajoituksia.

Vielä yksi asia: sonosähköstaattinen ruiskutus

Hielscher Ultrasonics valmistaa laitteita nesteiden ruiskutukseen, sumutukseen, hienosumutukseen tai aerosolien muodostamiseen. Ultraääniruiskutukseen käytettävä sonotrodi voi antaa nestesumulle tai aerosoleille positiivisen varauksen. Näin ultraääniruiskutus yhdistyy sähköstaattiseen ruiskutusteknologiaan esimerkiksi pinnoitusprosesseissa.

Kirjallisuus / lähteet

• Hielscher, Th. (2026): Electrodes and Inline Reactors: How Sono-Electrochemistry Improves Efficiency. Poster Presentation at GDCh Electrochemistry 22.09.2026 – 25.09.2026, Bayreuth/Germany
• 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.