Sono-Electrochemistry ja sen edut

Miksi ultraäänen levittäminen sähkökemiaan?

Matalataajuisten, korkean intensiteetin ultraääniaaltojen ja sähkökemiallisten järjestelmien yhdistelmällä on jakoputkietuja, jotka parantavat sähkökemiallisten reaktioiden tehokkuutta ja muuntoastetta.

Ultraäänien toimintaperiaate

Korkean suorituskyvyn ultraäänikäsittelyyn korkea-intensiteetti, matalataajuinen ultraääni tuotetaan ultraäänigeneraattorilla ja lähetetään ultraäänianturin (sonotrodin) kautta nesteeseen. Suuritehoista ultraääniä pidetään ultraäänenä 16-30kHz: n alueella. Ultraäänianturi laajenee ja urakoi esimerkiksi 20kHz:n taajuudella ja lähettää siten 20 000 värähtelyä sekunnissa väliaineeseen. Kun ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi, vuorotellen korkeapaineiset (puristus) / matalapaineiset (harvinaiset tai laajenevat) syklit luovat minuutteja tyhjiökuplia tai onteloita, jotka kasvavat useissa painesykleissä. Nesteen ja kuplien puristusvaiheen aikana paine on positiivinen, kun taas harvinainen rasvausvaihe tuottaa tyhjiön (negatiivinen paine). Puristus-paisuntasyklien aikana nesteen ontelon onteloiden kasvu kasvaa, kunnes ne saavuttavat koon, jossa ne eivät voi imeä enemmän energiaa. Tässä vaiheessa ne luhistuvat väkivaltaisesti. Näiden onteloiden luhistuminen johtaa erilaisiin erittäin energisiin vaikutuksiin, jotka tunnetaan akustisen / ultraäänikavitaatioilmiönä. Akustiselle kavitaatiolle on ominaista jakoputkien erittäin energiset vaikutukset, jotka vaikuttavat nesteisiin, kiinteisiin/nestemäisiin järjestelmiin sekä kaasu-/nestejärjestelmiin. Energiatiheä vyöhyke tai kavitaatiovyöhyke tunnetaan niin kutsuttuna hot spot -vyöhykkeenä, joka on energiatihein ultraäänianturin välittömässä läheisyydessä ja laskee kasvavan etäisyyden päässä sonotrodista. Ultraäänikavitaatioiden pääpiirteitä ovat paikallisesti esiintyvät erittäin korkeat lämpötilat ja paineet sekä vastaavat eroavaisuuksiin, turbulenssiin ja nesteiden suoratoistoon. Ultraäänionteloiden luhistuessa ultraäänikuumeissa voidaan mitata jopa 5000 Kelvinin lämpötilat, jopa 200 ilmakehän paineet ja nestemäiset suihkut, joissa on jopa 1000 km/ h. Nämä erinomaiset energiaintensiikkaat olosuhteet edistävät sonomekaanisia ja sonokemiallisia vaikutuksia, jotka tehostavat sähkökemiallisia järjestelmiä eri tavoin.

Ultrasonicsin vaikutukset sähkökemiallisiin järjestelmiin

Ultrasonication soveltaminen sähkökemiallisiin reaktioihin tunnetaan erilaisista vaikutuksista elektrodeihin eli anodiin ja katodiin sekä elektrolyyttiseen liuokseen. Ultraäänikavitaatio ja akustinen suoratoisto tuottavat merkittävää mikroliikettä, joka vaikuttaa nestemäisiin suihkuihin ja kiihtyy reaktionesteeseen. Tämä parantaa hydrodynamiikkaa ja nesteen ja kiinteän seoksen liikettä. Ultraäänikavitaatio vähentää difuusiokerroksen tehokasta paksuutta elektrodissa. Pienentynyt difuusiokerros tarkoittaa, että sonikaatio minimoi pitoisuuseron, mikä tarkoittaa, että elektrodin läheisyydessä olevan pitoisuuden lähentymistä ja irtoliuoksen pitoisuusarvoa edistetään ultraäänellä. Ultraääniagition vaikutus pitoisuusgradientsiin reaktion aikana varmistaa tuoreen liuoksen pysyvän syöttämisen elektrodiin ja reagoivan materiaalin kartingin. Tämä tarkoittaa, että sonikaatio paransi yleistä kinetiikkaa kiihdyttäen reaktiota ja lisääntyvää reaktiotuottoa.
Tuomalla ultraäänienergiaa järjestelmään sekä vapaiden radikaalien sonokemiallista muodostumista voidaan aloittaa sähkökemiallinen reaktio, joka muuten olisi ollut sähköinaktiivinen. 
Toinen akustisen värähtelyn ja suoratoiston tärkeä vaikutus on elektrodipintojen puhdistusvaikutus. Kerrokset ja elektrodien likaantuminen rajoittavat sähkökemiallisten reaktioiden tehokkuutta ja reaktiota. Ultrasonication pitää elektrodit pysyvästi puhtaina ja täysin aktiivisina reagoinnille. Ultrasonication on tunnettu kaasunpoistovaikutuksistaan, jotka ovat hyödyllisiä myös sähkökemiallisissa reaktioissa. Ei-toivottujen kaasujen poistaminen nesteestä, reaktio voi olla tehokkaampi.

Sonoelectrokemian sovellukset

Sonoelectrokemiaa voidaan soveltaa eri prosesseihin ja eri toimialoille. Hyvin yleisiä sonoelektrokemian sovelluksia ovat seuraavat:

• Nanohiukkassynteesi (elektrosynteesi)
• Vetysynteesi
• Sähkökoagulaatio
• Jäteveden
• Emulsiikin rikkominen
• Sähköpinnoitus / elektrodipositio

Nanohiukkasten sono-sähkökemiallinen synteesi

Ultrasonication onnistui sovellettiin erilaisten nanohiukkasten syntetisoimiseen sähkökemiallisessa järjestelmässä. Magnetiitti, kadmiumseleeni (CdSe) nanoputket, platinananohiukkaset, kultaiset NPS:t, metallinen magnesium, bismuteeni, nanohopea, erittäin hieno kupari, tungsten–koboltti (W–Co) seosnanohiukkaset, samaria/pienentynyt grafeenioksidinanokomosiaatti, 1nm:n alapuoliset poly(akryylihappo)-korkkiset kuparinanohiukkaset ja monet muut nanokokoiset jauheet on valmistettu sulavasti sonoelectrokemialla.
Sonoelektrokemiallisen nanohiukkassynteesin etuja ovat

• peljentämisen ja pinta-aktiivisten aineiden välttäminen
• veden käyttö liuottimena
• nanohiukkaskoon säätäminen vaihtelevilla parametreilla (ultraääniteho, virtatiheys, laskeumapotentiaali ja ultraääni vs. sähkökemiallinen pulssiaika)

Ashasssi-Sorkhabi ja Bagheri (2014) syntetisoivat polypyrroolikalvoja sonoelectrokemiallisesti ja vertasivat tuloksia elektrokeettisesti syntetisoituihin polypyrroolikalvoihin. Tulokset osoittavat, että galvanostaattinen sonoelectrodeposition tuotti voimakkaasti kiinnittyvää ja sileää polypyrroolikalvoa (PPy) teräkselle, ja sen nykyinen tiheys oli 4 mA cm– 2 0, 1 M oksaalihapossa / 0, 1 M pyrrooliliuoksessa. Sonoelectrokemiallisen polymeroinnin avulla he saivat korkean vastustuskyvyn ja kovat PPy-kalvot sileällä pinnalla. On osoitettu, että sonoelectrokemialla valmistetut PPy-pinnoitteet suojaavat st-12-terästä merkittävästi korroosiolta. Syntetisoitu pinnoite oli yhtenäinen ja korroosionkestävyys oli korkea. Kaikki nämä tulokset voivat johtua siitä, että ultraääni paransi reaktanttien massansiirtoa ja aiheutti suuria kemiallisia reaktioita akustisen kavitoinnin ja siitä johtuvien korkeiden lämpötilojen ja paineiden kautta. St-12 steel/two PPy -pinnoitteiden/syövyttävyyskalvojen rajapinnan impedanssitietojen oikeettomuus tarkistettiin KK-muunnoksilla, ja keskimääräisiä virheitä havaittiin vähän.

Hass ja Gedanken (2008) raportoivat metallisten magnesiumnanohiukkasten onnistuneesta sonoelektrokemiallisesta synteesistä. Gringard- reagenssin tnoelektrokemiallisen prosessin tehokkuus tetrahydrofuraanissa (THF) tai dibutyldiglyme- liuoksessa oli vastaavasti 41, 35% ja 33, 08%. AlCl3: n lisääminen Gringard-ratkaisuun lisäsi tehokkuutta dramaattisesti, nostaen sen 82,70%: iin ja 51,69%: iin THF: ssä tai dibutyldiglymessä.

Sono-sähkökemiallisen vedyn tuotanto

Ultraäänellä edistänyt elektrolyysi lisää merkittävästi vedyn saantoa vedestä tai emäksisistä liuoksista. Klikkaa tästä lukeaksesi lisää ultraäänellä nopeutetusta elektrolyyttisesta vetysynteesistä!

Ultraäänellä avustettu sähkökoagulaatio

The application of low-frequency ultrasound to electrocoagulcation systems is known as sono-electrocoagulation. Studies show that sonication influences electrocoagulation positively resulting e.g., in higher removal efficiency of iron hydroxides from wastewater. The positive impact of ultrasonics on electrocoagulation is explained by the reduction of electrode passivation. Low-frequency, high-intensity ultrasound destructs deposited solid layer and removes them efficiently, thereby keeping the electrodes continuously fully active. Furthermore, ultrasonics activates both ion types, i.e. cations and anions, present in the electrodes reaction zone. Ultrasonic agitation results in high micro-movement of the solution feeding and carrying away raw material and product to and from the electrodes.
Esimerkkejä onnistuneille sonoelektrokoagulaatioprosesseille ovat Cr(VI)-cr(III)-vähennys lääkejätevedessä, kokonaisfosforin poistaminen hienokemikaaliteollisuuden jätevesistä fosforinpoistotehokkuuden avulla oli 99,5 % 10 minuutin kuluessa, värin ja COD:n poistaminen sellu- ja paperiteollisuuden jätevesistä jne. Värin, COD: n, Cr(VI: n), Cu(II) ja P: n ilmoitetut poistumatehot olivat 100%, 95%, 100%, 97, 3% ja 99, 84%. (vrt. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Epäpuhtauksien sono-sähkökemiallinen hajoaminen

Ultraäänellä edistetyt sähkökemialliset hapettumista ja/tai vähennysreaktioita käytetään tehokkaana menetelmänä kemiallisen epäpuhtauden hajottamiseen. Sonomekaaniset ja sonokemialliset mekanismit edistävät epäpuhtauksien sähkökemiallista hajoamista. Ultraäänellä tuotettu kavitaatio johtaa voimakkaaseen kiihtymykseen, mikrosekoitukseen, massansiirtoon ja passivointikerrosten poistamiseen elektrodeista. Nämä kavitaatiovaikutukset johtavat pääasiassa elektrodien ja liuoksen välisen kiinteän ja nestemäisen massan siirron tehostumiseen. Sonokemialliset vaikutukset vaikuttavat suoraan molekyyleihin. Molekyylien homolyyttinen pilkkominen luo erittäin reaktiivisia hapettajia. Vesipitoisessa mediassa ja hapen läsnäollessa syntyy radikaaleja, kuten HO•, HO2• ja O• •OH-radikaalien tiedetään olevan tärkeitä orgaanisten materiaalien tehokkaan hajoamisen kannalta. Kaiken kaikkiaan sonoelektrokemiallinen hajoaminen osoittaa suurta tehokkuutta ja soveltuu suurten jätevesi- ja muiden saastunutten nestemäärien hoitoon.
Esimerkiksi Lllanos et al. (2016) havaitsi, että veden desinfiointiin saatiin merkittävä synergiavaikutus, kun sähkökemiallista järjestelmää tehostettiin sonikaatiolla (sonoelektrokemiallinen desinfiointi). Desinfiointiasteen kasvun havaittiin liittyvän E. coli -kolisoluaggolomeraattien tukahduttamiseen sekä desinfiointiaineiden tuotannon tehostumiseen. 
Esclapez ym. (2010) osoitti, että trikloorietikkahapon (TCAA) hajoamisen skaalauksen aikana käytettiin erityisesti suunniteltua sonoelektrokemiallista reaktoria (vaikka sitä ei ollut optimoitu), UIP1000hd:llä tuotetun ultraäänikentän läsnäolo tuotti parempia tuloksia (fraktiaalinen muuntaminen 97%, hajoamistehokkuus 26%, valikoivuus 0,92 ja nykyinen hyötysuhde 8%) pienemmällä ultraääni-intensiteetillä ja tilavuusvirralla. Kun otetaan huomioon, että sonoelektrokemiallista reaktoria ei ollut vielä optimoitu ennen pilottia, on hyvin todennäköistä, että näitä tuloksia voidaan vielä parantaa.

Ultraääni voltammetria ja elektrodipositio

Elektrodipositio suoritettiin galvanostaattisesti nykyisellä tiheydellä 15 mA/cm2. Liuoksille tehtiin ultraääni ennen elektrodepositiota 5–60 minuuttia. A Hielscher UP200S anturityyppinen ultraääni käytettiin syklin aikana 0,5. Ultraääni saavutettiin upottamalla ultraäänianturi suoraan liuokseen. Liuoksen ultraäänivaikutuksen arvioimiseksi ennen elektrodipositiota käytettiin syklistä voltammetriaa (CV) liuoksen käyttäytymisen paljastamiseksi ja mahdollistaa ihanteellisien olosuhteiden ennustamisen elektrodipositiolle. On havaittu, että kun liuos tehdään ultraäänellä ennen elektrodipositiota, laskeuma alkaa vähemmän negatiivisilla potentiaaliarvoilla. Tämä tarkoittaa, että liuoksessa tarvitaan samalla virrana vähemmän potentiaalia, koska liuoksen lajit käyttäytyvät aktiivisemmin kuin ultraääniä. (vrt. Yurdal & Karahan 2017)

Korkean suorituskyvyn sähkökemialliset anturit ja SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics on pitkäaikainen kokenut kumppanisi korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmille. Valmistamme ja jaamme huippumoderneja ultraäänimittapäitä ja reaktoreita, joita käytetään maailmanlaajuisesti vaativissa ympäristöissä raskaisiin käyttökokeisiin. Sonoelectrokemiaa varten Hielscher on kehittänyt erityisiä ultraäänimittapäitä, jotka voivat toimia katodina ja/tai anodina, sekä sähkökemiallisiin reaktioihin soveltuvia ultraäänireaktorikennoja. Ultraäänielektrodeja ja -soluja on saatavana galvaanisiin / voltaattisiin sekä elektrolyyttisiin järjestelmiin.

Tarkasti ohjattavat amplitudit optimaaliseen tulokseen

Kaikki Hielscher ultraääniprosessorit ovat tarkasti hallinnan ja siten luotettavia työhevosia R&D ja tuotanto. Amplitudi on yksi ratkaisevista prosessiparametreista, jotka vaikuttavat sonokemiallisten ja sonomekaanisesti indusoivien reaktioiden tehokkuuteen ja tehokkuuteen. Kaikki Hielscher Ultrasonics’ prosessorit mahdollistavat amplitudien tarkan asettamisen. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin korkeita amplitudit ja tuottaa tarvittavan ultraäänivoiman vaativiin ultraäänisovelluksiin. Jopa 200 μm:n amplitudit voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-toiminnassa.
Tarkat amplitudiasetukset ja ultraääniprosessiparametrien jatkuva seuranta älykkään ohjelmiston avulla antavat sinulle mahdollisuuden vaikuttaa sonoelectrokemian reaktioon tarkasti. Jokaisen sonikaatioajon aikana kaikki ultraääniparametrit tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille, jotta jokainen ajo voidaan arvioida ja hallita. Optimaalinen sonikaatio tehokkaisiin sonoelektrokemiallisiin reaktioihin!
Kaikki laitteet on rakennettu 24/7/365-käyttöä varten täydellä kuormalla ja sen kestävyys ja luotettavuus tekevät siitä työhevosen sähkökemiallisissa prosessissasi. Tämä tekee Hielscherin ultraäänilaitteista luotettavan työvälineen, joka täyttää sonoelectrokemialliset prosessivaatimukset.

Korkealaatuisia – Suunniteltu ja valmistettu Saksassa

Perhe- ja perheyrityksenä Hielscher priorisoi ultraääniprosessoriensa korkeimmat laatustandardit. Kaikki ultrasonicators on suunniteltu, valmistettu ja perusteellisesti testattu pääkonttorimme Teltow lähellä Berliiniä, Saksa. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys ja luotettavuus tekevät siitä tuotantosi työhevosen. 24/7 käyttö täydellä kuormituksella ja vaativissa ympäristöissä on luonnollinen ominaisuus Hielscherin korkean suorituskyvyn ultraääniantureille ja reaktoreille.

Ota yhteyttä nyt ja kerro sähkökemiallisista prosessivaatimuksistasi! Suosittelemme sinulle sopivimpia ultraäänielektrodeja ja reaktorin asennusta!