Sono-sähkökemia ja sen edut

Täältä löydät kaiken mitä sinun tarvitsee tietää ultraäänisähkökemiasta (sonoelectrochemistry): toimintaperiaate, sovellukset, edut ja sono-sähkökemialliset laitteet – Kaikki asiaankuuluvat tiedot sonoelectrokemiasta yhdellä sivulla.

Miksi soveltaa ultraääniä sähkökemiaan?

Matalataajuisten, korkean intensiteetin ultraääniaaltojen ja sähkökemiallisten järjestelmien yhdistelmällä on moninaisia etuja, jotka parantavat sähkökemiallisten reaktioiden tehokkuutta ja muuntokurssia.

Ultrasonicsin toimintaperiaate

Korkean suorituskyvyn ultraäänikäsittelyä varten ultraäänigeneraattori tuottaa korkean intensiteetin, matalataajuisen ultraäänen ja lähetetään ultraäänianturin (sonotrode) kautta nesteeseen. Suuritehoista ultraääntä pidetään ultraäänenä alueella 16-30 kHz. Ultraäänianturi laajenee ja supistuu esimerkiksi 20 kHz: n taajuudella, jolloin väliaineeseen lähetetään vastaavasti 20 000 värähtelyä sekunnissa. Kun ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi, vuorottelevat korkeapaineiset (puristus) / matalapaineiset (harvinaiset tai laajenevat) syklit luovat pieniä tyhjiökuplia tai onteloita, jotka kasvavat useiden painesyklien aikana. Nesteen ja kuplien puristusvaiheen aikana paine on positiivinen, kun taas harvinaisuusfaasi tuottaa tyhjiön (alipaine). Puristus-laajennusjaksojen aikana nesteen ontelot kasvavat, kunnes ne saavuttavat koon, jossa ne eivät pysty absorboimaan enemmän energiaa. Tässä vaiheessa ne luhistuvat väkivaltaisesti. Näiden onteloiden luhistuminen johtaa erilaisiin erittäin energisiin vaikutuksiin, joita kutsutaan akustisen / ultraäänikavitaation ilmiöksi. Akustiselle kavitaatiolle on ominaista moninaiset erittäin energiset vaikutukset, jotka vaikuttavat nesteisiin, kiinteisiin / nestemäisiin järjestelmiin sekä kaasu- / nestejärjestelmiin. Energiatiheä vyöhyke tai kavitaatiovyöhyke tunnetaan niin kutsuttuna kuumapistevyöhykkeenä, joka on energiatihein ultraäänianturin läheisyydessä ja laskee etäisyyden kasvaessa sonotrodista. Ultraäänikavitaation pääpiirteitä ovat paikallisesti esiintyvät erittäin korkeat lämpötilat ja paineet sekä vastaavat erot, turbulenssit ja nesteen suoratoisto. Ultraäänionteloiden romahtamisen aikana ultraäänipisteissä voidaan mitata jopa 5000 Kelvinin lämpötiloja, jopa 200 ilmakehän paineita ja nestemäisiä suihkuja, joiden nopeus on jopa 1000 km / h. Nämä erinomaiset energiaintensiiviset olosuhteet edistävät sonomekaanisia ja sonokemiallisia vaikutuksia, jotka tehostavat sähkökemiallisia järjestelmiä eri tavoin.

Ultrasonicsin vaikutukset sähkökemiallisiin järjestelmiin

Ultrasonicationin soveltaminen sähkökemiallisiin reaktioihin tunnetaan erilaisista vaikutuksista elektrodeihin eli anodiin ja katodiin sekä elektrolyyttiseen liuokseen. Ultraäänikavitaatio ja akustinen virtaus tuottavat merkittävää mikroliikettä, vaikuttavat nestesuihkuihin ja sekoittuvat reaktionesteeseen. Tämä parantaa hydrodynamiikkaa ja nestemäisen ja kiinteän seoksen liikettä. Ultraäänikavitaatio vähentää diffuusiokerroksen tehokasta paksuutta elektrodissa. Vähentynyt diffuusiokerros tarkoittaa, että sonikaatio minimoi pitoisuuseron, mikä tarkoittaa, että elektrodin läheisyydessä olevan pitoisuuden lähentymistä ja irtoliuoksen pitoisuusarvoa edistetään ultraäänellä. Ultraääniagitaation vaikutus pitoisuusgradientteihin reaktion aikana varmistaa tuoreen liuoksen pysyvän syöttämisen elektrodiin ja reagoineen materiaalin kärryn. Tämä tarkoittaa, että sonikaatio paransi yleistä kinetiikkaa, kiihdytti reaktionopeutta ja lisäsi reaktiotuottoa.
Lisäämällä ultraäänienergiaa järjestelmään sekä vapaiden radikaalien sonokemiallista muodostumista voidaan käynnistää sähkökemiallinen reaktio, joka muuten olisi ollut sähköinaktiivinen. 
Toinen tärkeä akustisen värähtelyn ja virtauksen vaikutus on elektrodipinnoille vaikuttava puhdistusvaikutus. Passiiviset kerrokset ja likaantuminen elektrodeissa rajoittavat sähkökemiallisten reaktioiden tehokkuutta ja reaktionopeutta. Ultrasonication pitää elektrodit pysyvästi puhtaina ja täysin aktiivisina reaktiota varten. Ultrasonication on tunnettu kaasunpoistovaikutuksistaan, jotka ovat hyödyllisiä myös sähkökemiallisissa reaktioissa. Ei-toivottujen kaasujen poistaminen nesteestä reaktio voi toimia tehokkaammin.

Sonoelectrokemian sovellukset

Sonoelectrokemiaa voidaan soveltaa erilaisiin prosesseihin ja eri toimialoilla. Hyvin yleisiä sonoelectrokemian sovelluksia ovat seuraavat:

• Nanohiukkassynteesi (sähkösynteesi)
• Vedyn synteesi
• sähkökoagulaatio
• Jäteveden
• Emulsioiden rikkominen
• Galvanointi / galvanointi

Nanohiukkasten sono-sähkökemiallinen synteesi

Ultrasonication oli onnistunut soveltamaan syntetisoimaan erilaisia nanohiukkasia sähkökemiallisessa järjestelmässä. Magnetiitti, kadmium-seleeni (CdSe) nanoputket, platinananohiukkaset (NP), kulta-NP: t, metallinen magnesium, vismuteeni, nano-hopea, erittäin hieno kupari, volframi-koboltti (W -Co) -seoksen nanohiukkaset, samaria/pelkistetty grafeenioksidinanokomposiitti, alle 1 nm: n poly (akryylihappo) -korkitetut kuparinanohiukkaset ja monet muut nanokokoiset jauheet on tuotettu onnistuneesti sonosähkökemian avulla.
Sonoelektrokemiallisen nanohiukkassynteesin etuja ovat

• pelkistävien aineiden ja pinta-aktiivisten aineiden välttäminen
• veden käyttö liuottimena
• nanohiukkaskoon säätäminen vaihtelevilla parametreilla (ultraääniteho, virran tiheys, kerrostumispotentiaali ja ultraääni vs. sähkökemialliset pulssiajat)

Ashasssi-Sorkhabi ja Bagheri (2014) syntetisoivat polypyrroolikalvoja sonoelektrokemiallisesti ja vertasivat tuloksia sähköisesti syntetisoituihin polypyrroolikalvoihin. Tulokset osoittavat, että galvanostaattinen sonoelektrodipositio tuotti teräkselle voimakkaasti tarttuvan ja sileän polypyrrolikalvon (PPy), jonka virrantiheys oli 4 mA cm–2 0,1 M oksaalihappo/0,1 M pyrroliliuoksessa. Sonoelektrokemiallista polymerointia käyttämällä he saivat korkean vastuksen ja sitkeät PPy-kalvot, joilla oli sileä pinta. On osoitettu, että sonoelectrokemian valmistamat PPy-pinnoitteet tarjoavat merkittävän korroosiosuojan St-12-teräkselle. Syntetisoitu pinnoite oli tasainen ja sillä oli korkea korroosionkestävyys. Kaikki nämä tulokset voivat johtua siitä, että ultraääni paransi reagenssien massansiirtoa ja aiheutti suuria kemiallisia reaktionopeuksia akustisen kavitaation ja siitä johtuvien korkeiden lämpötilojen ja paineiden kautta. St-12-teräksen / kahden PPy-pinnoitteen / syövyttävän väliaineen rajapinnan impedanssitietojen pätevyys tarkistettiin KK-muunnoksilla, ja alhaiset keskimääräiset virheet havaittiin.

Hass ja Gedanken (2008) raportoivat metallisten magnesiumnanohiukkasten onnistuneesta sono-sähkökemiallisesta synteesistä. Gringard-reagenssin sonoelektrokemiallisen prosessin tehokkuudet tetrahydrofuraanissa (THF) tai dibutyylidiglyme-liuoksessa olivat vastaavasti 41,35% ja 33,08%. AlCl3: n lisääminen Gringard-liuokseen lisäsi tehokkuutta dramaattisesti ja nosti sen 82,70%: iin ja 51,69%: iin THF: ssä tai dibutyylidiglymessä.

Sono-sähkökemiallinen vedyn tuotanto

Ultraäänellä edistetty elektrolyysi lisää merkittävästi vedyn saantoa vedestä tai emäksisistä liuoksista. Klikkaa tästä lukeaksesi lisää ultraäänellä kiihdytetystä elektrolyyttisestä vetysynteesistä!

Ultraäänellä avustettu sähkökoagulaatio

Matalataajuisen ultraäänen soveltaminen sähkökoagulaatiojärjestelmiin tunnetaan sono-sähkökoagulaationa. Tutkimukset osoittavat, että sonikaatio vaikuttaa positiivisesti sähkökoagulaatioon, mikä johtaa esimerkiksi rautahydroksidien parempaan poistotehokkuuteen jätevedestä. Ultrasonicsin positiivinen vaikutus sähkökoagulaatioon selittyy elektrodin passivoitumisen vähenemisellä. Matalataajuinen, korkean intensiteetin ultraääni tuhoaa kerrostuneen kiinteän kerroksen ja poistaa ne tehokkaasti, mikä pitää elektrodit jatkuvasti täysin aktiivisina. Lisäksi ultraääni aktivoi molemmat ionityypit eli kationit ja anionit, jotka ovat läsnä elektrodien reaktiovyöhykkeellä. Ultraääniagitaatio johtaa liuoksen korkeaan mikroliikkeeseen, joka syöttää ja kuljettaa raaka-ainetta ja tuotetta elektrodeihin ja elektrodeista.
Esimerkkejä onnistuneista sono-sähkökoagulaatioprosesseista ovat Cr(VI):n pelkistäminen Cr(III):ksi farmaseuttisessa jätevedessä, kokonaisfosforin poistaminen hienokemianteollisuuden jätevesistä fosforinpoistotehokkuudella oli 99,5% 10 minuutin kuluessa, värin ja COD:n poisto sellu- ja paperiteollisuuden jätevesistä jne. Raportoidut poistotehokkuudet värille, COD:lle, Cr(VI):lle, Cu(II):lle ja P:lle olivat vastaavasti 100 %, 95 %, 100 %, 97,3 % ja 99,84 %. (vrt. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Epäpuhtauksien sono-sähkökemiallinen hajoaminen

Ultraäänellä edistettyjä sähkökemiallisia hapetus- ja / tai pelkistysreaktioita käytetään tehokkaana menetelmänä kemiallisen epäpuhtauden hajottamiseksi. Sonomekaaniset ja sonokemialliset mekanismit edistävät epäpuhtauksien sähkökemiallista hajoamista. Ultraäänellä tuotettu kavitaatio johtaa voimakkaaseen levottomuuteen, mikromiksaukseen, massansiirtoon ja passiivisten kerrosten poistamiseen elektrodeista. Nämä kavitaatiovaikutukset johtavat pääasiassa kiinteän nesteen massansiirron paranemiseen elektrodien ja liuoksen välillä. Sonokemialliset vaikutukset vaikuttavat suoraan molekyyleihin. Molekyylien homolyyttinen pilkkominen luo erittäin reaktiivisia hapettimia. Vesipitoisissa väliaineissa ja hapen läsnä ollessa tuotetaan radikaaleja, kuten HO•, HO2• ja O•. •OH-radikaalien tiedetään olevan tärkeitä orgaanisten materiaalien tehokkaalle hajoamiselle. Kaiken kaikkiaan sono-sähkökemiallinen hajoaminen osoittaa suurta tehokkuutta ja soveltuu suurten jätevesivirtojen ja muiden saastuneiden nesteiden käsittelyyn.
(2016) havaitsi, että veden desinfiointiin saatiin merkittävä synergistinen vaikutus, kun sähkökemiallista järjestelmää tehostettiin sonikaatiolla (sono-sähkökemiallinen desinfiointi). Tämän desinfiointinopeuden kasvun havaittiin liittyvän E. coli -solujen aggolomeraattien tukahduttamiseen sekä desinfiointiaineiden lisääntyneeseen tuotantoon. 
(2010) osoitti, että erityisesti suunniteltua sonoelektrokemiallista reaktoria (jota ei kuitenkaan ole optimoitu) käytettiin trikloorietikkahapon (TCAA) hajoamisen laajentamisen aikana, UIP1000hd: llä tuotetun ultraäänikentän läsnäolo antoi parempia tuloksia (murto-muunnos 97%, hajoamistehokkuus 26%, selektiivisyys 0,92 ja nykyinen hyötysuhde 8%) alhaisemmilla ultraääniintensiteeteillä ja tilavuusvirtauksella. Ottaen huomioon, että sonoelektrokemiallista reaktoria ei ollut vielä optimoitu, on erittäin todennäköistä, että näitä tuloksia voidaan edelleen parantaa.

Ultraäänivoltammetria ja elektrodipositio

Elektrodipositio tehtiin galvanostaattisesti virrantiheydellä 15 mA/cm2. Liuokset altistettiin ultrasonicationille ennen elektrodipositiota 5–60 minuutin ajan. A Hielscher UP200S-anturityyppinen ultraäänilaite käytettiin syklin aikana 0,5. Ultrasonication saavutettiin upottamalla ultraäänianturi suoraan liuokseen. Ultraäänivaikutuksen arvioimiseksi liuokseen ennen elektrodipositiota käytettiin syklistä voltammetriaa (CV) liuoksen käyttäytymisen paljastamiseksi ja elektrodipositioiden ihanteellisten olosuhteiden ennustamiseksi. Havaitaan, että kun liuos altistetaan ultrasonicationille ennen elektrodipositiota, laskeuma alkaa vähemmän negatiivisilla potentiaaliarvoilla. Tämä tarkoittaa, että samassa virrassa liuoksessa tarvitaan vähemmän potentiaalia, koska liuoksessa olevat lajit käyttäytyvät aktiivisemmin kuin ei-ultrasonicatedissa. (vrt. Yurdal & Karahan 2017)

Korkean suorituskyvyn sähkökemialliset anturit ja SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics on pitkäaikainen kokenut kumppanisi korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmille. Valmistamme ja jakelemme huippuluokan ultraääniantureita ja reaktoreita, joita käytetään maailmanlaajuisesti raskaisiin sovelluksiin vaativissa ympäristöissä. Sonoelectrokemiaa varten Hielscher on kehittänyt erityisiä ultraäänikoettimia, jotka voivat toimia katodina ja / tai anodina, sekä ultraäänireaktorisoluja, jotka soveltuvat sähkökemiallisiin reaktioihin. Ultraäänielektrodeja ja -kennoja on saatavana galvaanisiin / sähköisiin sekä elektrolyyttisiin järjestelmiin.

Tarkasti säädettävät amplitudit optimaalisiin tuloksiin

Kaikki Hielscherin ultraääniprosessorit ovat tarkasti hallittavissa ja siten luotettavia työhevosia R: ssä&D ja tuotanto. Amplitudi on yksi ratkaisevista prosessiparametreista, jotka vaikuttavat sonokemiallisesti ja sonomekaanisesti indusoitujen reaktioiden tehokkuuteen ja vaikuttavuuteen. Kaikki Hielscherin ultraääni’ Prosessorit mahdollistavat amplitudin tarkan asettamisen. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudit ja tuottaa vaaditun ultraääni-intensiteetin vaativiin sono-electrochamical-sovelluksiin. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa.
Tarkat amplitudiasetukset ja ultraääniprosessiparametrien pysyvä seuranta älykkään ohjelmiston avulla antavat sinulle mahdollisuuden vaikuttaa sonoelektrokemialliseen reaktioon tarkasti. Jokaisen sonikaatioajon aikana kaikki ultraääniparametrit tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille, jotta jokainen ajo voidaan arvioida ja ohjata. Optimaalinen sonikaatio tehokkaimmille sonoelektrokemiallisille reaktioille!
Kaikki laitteet on rakennettu 24/7/365-käyttöön täydellä kuormituksella, ja niiden kestävyys ja luotettavuus tekevät niistä sähkökemiallisen prosessisi työjuhdan. Tämä tekee Hielscherin ultraäänilaitteista luotettavan työvälineen, joka täyttää sonoelektrokemialliset prosessivaatimukset.

Korkealaatuisia – Suunniteltu ja valmistettu Saksassa

Perheyrityksenä ja perheyrityksenä Hielscher asettaa etusijalle ultraääniprosessoriensa korkeimmat laatustandardit. Kaikki ultraäänilaitteet suunnitellaan, valmistetaan ja testataan perusteellisesti pääkonttorissamme Teltowissa lähellä Berliiniä, Saksassa. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys ja luotettavuus tekevät siitä työhevosen tuotannossasi. 24/7 toiminta täydellä kuormituksella ja vaativissa ympäristöissä on Hielscherin korkean suorituskyvyn ultraäänianturien ja reaktoreiden luonnollinen ominaisuus.

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