Sonoelektrokemia ja sen edut

Täältä löydät kaiken, mitä sinun tarvitsee tietää ultraäänielektrokemiasta (sonoelektrokemiasta): toimintaperiaatteen, sovellukset, edut ja sonoelektrokemialliset laitteet – kaikki olennaiset tiedot sonoelektrokemiasta yhdellä sivulla.

Miksi käyttää ultraääntä elektrokemiassa?

Matalataajuisten, voimakkaiden ultraääniaaltojen yhdistäminen sähkökemiallisiin järjestelmiin tarjoaa monenlaisia etuja, jotka parantavat sähkökemiallisten reaktioiden tehokkuutta ja konversionopeutta.

Ultraäänen toimintaperiaate

Tehokasta ultraäänikäsittelyä varten ultraäänigeneraattori tuottaa voimakasta, matalataajuista ultraääntä, joka siirretään ultraäänianturin (sonotrodin) kautta nesteeseen. Teho-ultraääneksi katsotaan ultraääni taajuusalueella 16–30 kHz. Ultraäänianturi laajenee ja supistuu esimerkiksi 20 kHz:n taajuudella ja välittää siten väliaineeseen 20 000 värähdystä sekunnissa. Kun ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi, vuorottelevat korkeapaineiset (puristus) ja matalapaineiset (harvennus tai laajeneminen) jaksot muodostavat pieniä tyhjiökuplia eli onteloita, jotka kasvavat useiden painejaksojen aikana. Nesteen ja kuplien puristusvaiheessa paine on positiivinen, kun taas harvennusvaihe synnyttää tyhjiön (negatiivisen paineen). Puristus- ja laajenemisjaksojen aikana nesteen ontelot kasvavat, kunnes ne saavuttavat koon, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan lisää energiaa. Tällöin ne luhistuvat rajusti. Näiden onteloiden luhistuminen aiheuttaa erilaisia erittäin voimakkaita energiavaikutuksia, jotka tunnetaan akustisen eli ultraäänikavitaation ilmiönä. Akustiselle kavitaatiolle ovat ominaisia monenlaiset erittäin voimakkaat energiavaikutukset, jotka vaikuttavat nesteisiin sekä kiinteä aine/neste- ja kaasu/neste-järjestelmiin. Energiatiheää vyöhykettä eli kavitaatiovyöhykettä kutsutaan niin sanotuksi kuumien pisteiden vyöhykkeeksi. Sen energiatiheys on suurimmillaan ultraäänianturin välittömässä läheisyydessä ja pienenee etäisyyden sonotrodiin kasvaessa. Ultraäänikavitaation keskeisiä ominaisuuksia ovat paikallisesti esiintyvät erittäin korkeat lämpötilat ja paineet sekä niitä vastaavat lämpötila- ja paine-erot, turbulenssi ja nesteen virtaus. Ultraäänen synnyttämien onteloiden luhistuessa ultraäänen kuumissa pisteissä voidaan mitata jopa 5 000 kelvinin lämpötiloja, jopa 200 ilmakehän paineita ja nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 1 000 km/h. Nämä poikkeuksellisen voimakkaat energiaolosuhteet edistävät sonomekaanisia ja sonokemiallisia vaikutuksia, jotka tehostavat sähkökemiallisia järjestelmiä eri tavoin.

Ultraäänen vaikutukset sähkökemiallisiin järjestelmiin

Ultraäänikäsittelyn käytöllä sähkökemiallisissa reaktioissa tiedetään olevan erilaisia vaikutuksia elektrodeihin eli anodiin ja katodiin sekä elektrolyyttiliuokseen. Ultraäänikavitaatio ja akustinen virtaus synnyttävät reaktionesteessä huomattavaa mikroliikettä, törmääviä nestesuihkuja ja sekoittumista. Tämä parantaa hydrodynamiikkaa ja nesteen ja kiinteän aineen seoksen liikettä. Ultraäänikavitaatio pienentää elektrodin diffuusiokerroksen tehollista paksuutta. Ohuempi diffuusiokerros tarkoittaa, että ultraäänikäsittely minimoi pitoisuuseron eli edistää elektrodin läheisyydessä olevan pitoisuuden ja liuoksen päämassan pitoisuuden lähentymistä toisiinsa. Ultraäänen aiheuttaman sekoittumisen vaikutus pitoisuusgradientteihin reaktion aikana varmistaa tuoreen liuoksen jatkuvan syötön elektrodille ja reagoineen aineen kuljettamisen pois. Tämä tarkoittaa, että ultraäänikäsittely paransi kokonaiskinetiikkaa nopeuttamalla reaktiota ja lisäämällä reaktion saantoa.
Ultraäänienergian tuominen järjestelmään sekä vapaiden radikaalien sonokemiallinen muodostuminen voivat käynnistää sähkökemiallisen reaktion, joka muuten olisi sähkökemiallisesti inaktiivinen. Toinen akustisen värähtelyn ja virtauksen tärkeä vaikutus on elektrodipintojen puhdistuminen. Elektrodien passivoivat kerrokset ja likaantuminen rajoittavat sähkökemiallisten reaktioiden tehokkuutta ja reaktionopeutta. Ultraäänikäsittely pitää elektrodit jatkuvasti puhtaina ja täysin aktiivisina reaktiota varten. Ultraäänikäsittely tunnetaan hyvin kaasunpoistovaikutuksistaan, joista on hyötyä myös sähkökemiallisissa reaktioissa. Kun nesteestä poistetaan ei-toivotut kaasut, reaktio voi edetä tehokkaammin.

Sonoelektrokemian sovellukset

Sonoelektrokemiaa voidaan soveltaa erilaisiin prosesseihin ja eri teollisuudenaloilla. Erittäin yleisiä sonoelektrokemian sovelluksia ovat seuraavat:

• Nanohiukkasten synteesi (elektrosynteesi)
• Vedyn synteesi
• Sähkökoagulaatio
• Jätevedenkäsittely
• Emulsioiden hajottaminen
• Sähköpinnoitus / sähkösaostus
• Ohminen lämmitys

Nanohiukkasten sonoelektrokemiallinen synteesi

Ultraäänikäsittelyä on käytetty onnistuneesti erilaisten nanohiukkasten synteesiin sähkökemiallisessa järjestelmässä. Sonoelektrokemialla on tuotettu onnistuneesti magnetiittia, kadmium–seleeni-nanoputkia (CdSe), platinananohiukkasia (NP), kultananohiukkasia, metallista magnesiumia, bismuteen(i)a, nanohopeaa, erittäin hienojakoista kuparia, volframi–kobolttiseoksen (W–Co) nanohiukkasia, samariumoksidin ja pelkistetyn grafeenioksidin nanokomposiittia, alle 1 nm:n kokoisia poly(akryylihapolla) päällystettyjä kuparinanohiukkasia ja monia muita nanokokoisia jauheita.
Nanohiukkasten sonoelektrokemiallisen synteesin etuja ovat

• pelkistimien ja pinta-aktiivisten aineiden käytön välttäminen
• veden käyttö liuottimena
• nanohiukkasten koon säätäminen muuttamalla parametreja (ultraääniteho, virrantiheys, saostuspotentiaali sekä ultraäänipulssien ja sähkökemiallisten pulssien kestot)

Ashasssi-Sorkhabi ja Bagheri (2014) syntetisoivat polypyrrolikalvoja sonoelektrokemiallisesti ja vertasivat tuloksia sähkökemiallisesti syntetisoituihin polypyrrolikalvoihin. Tulokset osoittavat, että galvanostaattinen ultraäänellä tehostettu sähkösaostus tuotti teräkselle vahvasti tarttuvan ja sileän polypyrrolikalvon (PPy), kun virrantiheys oli 4 mA cm–2 ja liuos sisälsi 0,1 M oksaalihappoa ja 0,1 M pyrrolia. Sonoelektrokemiallisella polymeroinnilla he saivat erittäin kestäviä ja sitkeitä PPy-kalvoja, joiden pinta oli sileä. Sonoelektrokemiallisesti valmistettujen PPy-pinnoitteiden on osoitettu tarjoavan huomattavan korroosiosuojan St-12-teräkselle. Syntetisoitu pinnoite oli tasainen, ja sen korroosionkestävyys oli korkea. Kaikki nämä tulokset saattavat johtua siitä, että ultraääni tehosti reaktanttien aineensiirtoa ja aiheutti suuria kemiallisia reaktionopeuksia akustisen kavitaation ja siitä seuranneiden korkeiden lämpötilojen ja paineiden kautta. St-12-teräksen, kahden PPy-pinnoitteen ja syövyttävien väliaineiden rajapinnan impedanssitietojen pätevyys tarkistettiin KK-muunnoksilla, ja havaitut keskimääräiset virheet olivat pieniä.

Hass ja Gedanken (2008) raportoivat metallisten magnesiumnanohiukkasten onnistuneesta sonoelektrokemiallisesta synteesistä. Gringard-reagenssin sonoelektrokemiallisen prosessin hyötysuhteet tetrahydrofuraanissa (THF) ja dibutyylidiglyymiliuoksessa olivat vastaavasti 41,35 % ja 33,08 %. AlCl3:n lisääminen Gringard-liuokseen kasvatti hyötysuhdetta merkittävästi: THF:ssä se nousi 82,70 %:iin ja dibutyylidiglyymissä 51,69 %:iin.

Sonoelektrokemiallinen vedyn tuotanto

Ultraäänellä tehostettu elektrolyysi lisää merkittävästi vedyn saantoa vedestä tai emäksisistä liuoksista. Napsauta tästä ja lue lisää ultraäänellä nopeutetusta elektrolyyttisestä vedyn synteesistä!

Ultraääniavusteinen sähkökoagulaatio

Matalataajuisen ultraäänen käyttöä sähkökoagulaatiojärjestelmissä kutsutaan sonoelektrokoagulaatioksi. Tutkimukset osoittavat, että ultraäänikäsittely vaikuttaa sähkökoagulaatioon myönteisesti ja johtaa esimerkiksi rautahydroksidien tehokkaampaan poistoon jätevedestä. Ultraäänen myönteinen vaikutus sähkökoagulaatioon selittyy elektrodien passivoitumisen vähenemisellä. Matalataajuinen, voimakas ultraääni hajottaa kerrostuneen kiinteän kerroksen ja poistaa sen tehokkaasti, jolloin elektrodit pysyvät jatkuvasti täysin aktiivisina. Lisäksi ultraääni aktivoi molemmat ionityypit eli kationit ja anionit, joita esiintyy elektrodien reaktiovyöhykkeellä. Ultraäänen aiheuttama sekoittuminen synnyttää liuoksessa voimakasta mikroliikettä, joka syöttää ja kuljettaa raaka-ainetta ja tuotetta elektrodeille ja niiltä pois.
Esimerkkejä onnistuneista sonoelektrokoagulaatioprosesseista ovat Cr(VI):n pelkistäminen Cr(III):ksi lääketeollisuuden jätevedessä, kokonaisfosforin poistaminen hienokemikaaliteollisuuden jätevesistä, jolloin fosforin poistotehokkuus oli 99,5 % 10 minuutissa, sekä värin ja kemiallisen hapenkulutuksen (COD) poistaminen sellu- ja paperiteollisuuden jätevesistä. Värin, COD:n, Cr(VI):n, Cu(II):n ja P:n raportoidut poistotehokkuudet olivat vastaavasti 100 %, 95 %, 100 %, 97,3 % ja 99,84 %. (vrt. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Epäpuhtauksien sonoelektrokemiallinen hajottaminen

Ultraäänellä tehostettuja sähkökemiallisia hapetus- ja/tai pelkistysreaktioita käytetään tehokkaana menetelmänä kemiallisten epäpuhtauksien hajottamiseen. Sonomekaaniset ja sonokemialliset mekanismit edistävät epäpuhtauksien sähkökemiallista hajoamista. Ultraäänen synnyttämä kavitaatio aiheuttaa voimakasta sekoittumista, mikrosekoittumista ja aineensiirtoa sekä poistaa passivoivia kerroksia elektrodeilta. Nämä kavitaatiovaikutukset tehostavat pääasiassa kiinteän aineen ja nesteen välistä aineensiirtoa elektrodien ja liuoksen välillä. Sonokemialliset vaikutukset kohdistuvat suoraan molekyyleihin. Molekyylien homolyyttinen pilkkoutuminen synnyttää erittäin reaktiivisia hapettimia. Vesipitoisissa väliaineissa ja hapen läsnä ollessa muodostuu radikaaleja, kuten HO•, HO2• ja O•. •OH-radikaalien tiedetään olevan tärkeitä orgaanisten aineiden tehokkaassa hajottamisessa. Kaiken kaikkiaan sonoelektrokemiallinen hajottaminen on erittäin tehokasta ja soveltuu suurten jätevesivirtojen ja muiden saastuneiden nesteiden käsittelyyn.
Esimerkiksi Lllanos et al. (2016) havaitsivat, että veden desinfioinnissa saavutettiin merkittävä synerginen vaikutus, kun sähkökemiallista järjestelmää tehostettiin ultraäänikäsittelyllä (sonoelektrokemiallinen desinfiointi). Desinfiointinopeuden kasvun havaittiin liittyvän E. coli -soluaggregaattien vähenemiseen sekä desinfioivien kemiallisten lajien lisääntyneeseen tuotantoon. Esclapez et al. (2010) osoittivat, että kun trikloorietikkahapon (TCAA) hajottamisen mittakaavan suurentamisessa käytettiin erityisesti suunniteltua sonoelektrokemiallista reaktoria (jota ei kuitenkaan ollut optimoitu), laitteella UIP1000hd tuotettu ultraäänikenttä antoi parempia tuloksia (konversioaste 97 %, hajotustehokkuus 26 %, selektiivisyys 0,92 ja virtahyötysuhde 8 %) pienemmillä ultraäänen intensiteeteillä ja pienemmällä tilavuusvirralla. Koska esipilottimittakaavan sonoelektrokemiallista reaktoria ei ollut vielä optimoitu, on hyvin todennäköistä, että näitä tuloksia voidaan parantaa vielä entisestään.

Ultraäänivoltammetria ja sähkösaostus

Sähkösaostus suoritettiin galvanostaattisesti virrantiheydellä 15 mA/cm2. Liuoksia käsiteltiin ultraäänellä 5–60 minuutin ajan ennen sähkösaostusta. Hielscher UP200S -anturityyppistä ultraäänilaitetta käytettiin sykliajalla 0,5. Ultraäänikäsittely toteutettiin upottamalla ultraäänianturi suoraan liuokseen. Ultraäänen vaikutusta liuokseen ennen sähkösaostusta arvioitiin syklisellä voltammetrialla (CV), jolla selvitettiin liuoksen käyttäytymistä ja mahdollistettiin sähkösaostuksen ihanteellisten olosuhteiden ennustaminen. On havaittu, että kun liuosta käsitellään ultraäänellä ennen sähkösaostusta, saostuminen alkaa vähemmän negatiivisilla potentiaaliarvoilla. Tämä tarkoittaa, että samalla liuoksessa kulkevalla virralla tarvitaan pienempi potentiaali, sillä liuoksen kemialliset lajit käyttäytyvät aktiivisemmin kuin ultraäänellä käsittelemättömissä liuoksissa. (vrt. Yurdal & Karahan 2017)
Lue lisää nanomateriaaleilla parannettujen pinnoitteiden sonoelektrokemiallisesta saostuksesta!

Tehokkaat sähkökemialliset anturit ja SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics on kokeneena kumppaninasi tehokkaissa ultraäänijärjestelmissä. Valmistamme ja toimitamme uusinta tekniikkaa edustavia ultraääniantureita ja reaktoreita, joita käytetään maailmanlaajuisesti raskaissa käyttökohteissa vaativissa ympäristöissä. Sonoelektrokemiaa varten Hielscher on kehittänyt erityisiä ultraääniantureita, jotka voivat toimia katodina ja/tai anodina, sekä sähkökemiallisiin reaktioihin soveltuvia ultraäänireaktorikennoja. Ultraäänielektrodeja ja -kennoja on saatavilla sekä galvaanisiin että elektrolyyttisiin järjestelmiin.

Tarkasti säädettävät amplitudit optimaalisiin tuloksiin

Kaikki yrityksen Hielscher ultraääniprosessorit ovat tarkasti säädettäviä ja siten luotettavia työjuhtia tutkimus- ja kehitystyössä (R&D) sekä tuotannossa. Amplitudi on yksi keskeisistä prosessiparametreista, jotka vaikuttavat sonokemiallisesti ja sonomekaanisesti käynnistettyjen reaktioiden tehokkuuteen ja vaikuttavuuteen. Kaikki yrityksen Hielscher Ultrasonics prosessorit mahdollistavat amplitudin tarkan säädön. Yrityksen Hielscher teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja ja vaativien sonoelektrokemiallisten sovellusten edellyttämän ultraäänen intensiteetin. Jopa 200 µm:n amplitudeja voidaan käyttää vaivattomasti jatkuvassa 24/7-käytössä.
Tarkat amplitudiasetukset ja ultraääniprosessin parametrien jatkuva seuranta älykkäällä ohjelmistolla mahdollistavat tarkan vaikuttamisen sonoelektrokemialliseen reaktioon. Jokaisen ultraäänikäsittelyajon aikana kaikki ultraääniparametrit tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille, jotta jokainen ajo voidaan arvioida ja tarkistaa. Optimaalinen ultraäänikäsittely mahdollisimman tehokkaisiin sonoelektrokemiallisiin reaktioihin!
Kaikki laitteet on rakennettu 24/7/365-käyttöön täydellä kuormalla, ja niiden vankkuus ja luotettavuus tekevät niistä sähkökemiallisen prosessisi työjuhtia. Tämä tekee yrityksen Hielscher ultraäänilaitteista luotettavia työvälineitä, jotka täyttävät sonoelektrokemiallisen prosessisi vaatimukset.

Korkeinta laatua – suunniteltu ja valmistettu Saksassa

Perheomisteisena ja perheen johtamana yrityksenä Hielscher asettaa ultraääniprosessoriensa korkeimmat laatustandardit etusijalle. Kaikki ultraäänilaitteet suunnitellaan, valmistetaan ja testataan perusteellisesti päätoimipaikassamme Teltowissa lähellä Berliiniä Saksassa. Hielscherin ultraäänilaitteiden vankkuus ja luotettavuus tekevät niistä tuotantosi työjuhtia. Ympärivuorokautinen 24/7-käyttö täydellä kuormalla ja vaativissa ympäristöissä on Hielscherin tehokkaiden ultraääniantureiden ja reaktoreiden luontainen ominaisuus.

Ota meihin yhteyttä nyt ja kerro sähkökemiallisen prosessisi vaatimuksista! Suosittelemme sinulle parhaiten soveltuvia ultraäänielektrodeja ja reaktorikokoonpanoa!