Électro-sonication – électrodes à ultrasons

L’électro-sonication est la combinaison des effets de l’électricité avec ceux de la sonication. Hielscher Ultrasonics a développé une méthode nouvelle et élégante permettant d’utiliser n’importe quelle sonotrode comme électrode. La puissance des ultrasons agit ainsi directement à l’interface entre l’électrode à ultrasons et le liquide. Elle peut y favoriser l’électrolyse, améliorer le transfert de masse et rompre les couches limites ou les dépôts. Hielscher fournit des équipements de qualité industrielle pour les procédés d’électro-sonication en mode batch et en ligne, à toute échelle. Vous pouvez combiner l’électro-sonication avec la mano-sonication (pression) et la thermo-sonication (température).

Applications des électrodes à ultrasons

L’application des ultrasons aux électrodes est une technologie nouvelle qui profite à de nombreux procédés différents en électrolyse, galvanisation, électro-purification, production d’hydrogène et électrocoagulation, synthèse de particules ou autres réactions électrochimiques. Hielscher Ultrasonics dispose d’électrodes à ultrasons immédiatement disponibles pour la recherche et le développement en électrolyse à l’échelle du laboratoire ou à l’échelle pilote. Après avoir testé et optimisé votre procédé électrolytique, vous pouvez utiliser les équipements à ultrasons de taille industrielle de Hielscher Ultrasonics pour transposer les résultats de votre procédé à l’échelle de la production industrielle. Vous trouverez ci-dessous des suggestions et recommandations pour l’utilisation des électrodes à ultrasons.

Sono-électrolyse (électrolyse par ultrasons)

L’électrolyse est l’échange d’atomes et d’ions par retrait ou ajout d’électrons, résultant de l’application d’un courant électrique. Les produits de l’électrolyse peuvent se trouver dans un état physique différent de celui de l’électrolyte. L’électrolyse peut produire des solides, tels que des précipités ou des couches solides sur l’une ou l’autre des électrodes. L’électrolyse peut aussi produire des gaz, tels que l’hydrogène, le chlore ou l’oxygène. L’agitation ultrasonique d’une électrode peut détacher les dépôts solides de la surface de l’électrode. Le dégazage par ultrasons produit rapidement des bulles de gaz plus grosses à partir de gaz dissous de microbulles. Cela permet une séparation plus rapide des produits gazeux de l’électrolyte.

Appareil à ultrasons UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) comme cathode et/ou anode dans une cellule électrolytique

Transfert de masse amélioré par ultrasons à la surface de l’électrode

Au cours du processus d’électrolyse, les produits s’accumulent près des électrodes ou à la surface des électrodes. L’agitation ultrasonique est un outil très efficace pour augmenter le transfert de masse au niveau des couches limites. Cet effet met de l’électrolyte frais en contact avec la surface de l’électrode. Le courant de cavitation éloigne de la surface de l’électrode les produits de l’électrolyse, tels que les gaz ou les solides. La formation inhibitrice de couches isolantes est ainsi empêchée.

Effets des ultrasons sur le potentiel de décomposition

L’agitation ultrasonique de l’anode, de la cathode ou des deux électrodes peut influer sur le potentiel de décomposition ou la tension de décomposition. La cavitation seule est connue pour rompre des molécules, produire des radicaux libres ou de l’ozone. La combinaison de la cavitation et de l’électrolyse dans une électrolyse assistée par ultrasons peut influer sur la tension minimale requise entre l’anode et la cathode d’une cellule électrolytique pour que l’électrolyse se produise. Les effets mécaniques et sonochimiques de la cavitation peuvent également améliorer l’efficacité énergétique de l’électrolyse.

Ultrasons dans l’électroraffinage et l’extraction électrolytique

Dans le procédé d’électroraffinage, les dépôts solides de métaux, tels que le cuivre, peuvent être transformés en une suspension de particules solides dans l’électrolyte. Dans l’extraction électrolytique, également appelée électro-extraction, l’électrodéposition des métaux à partir de leurs minerais peut être transformée en précipité solide. Les métaux couramment obtenus par extraction électrolytique sont le plomb, le cuivre, l’or, l’argent, le zinc, l’aluminium, le chrome, le cobalt, le manganèse, ainsi que les métaux des terres rares et les métaux alcalins.
L’ultrasonication est également un moyen efficace pour la lixiviation des minerais.

Purification sono-électrolytique des liquides

Purifiez un liquide, par ex. une solution aqueuse comme des eaux usées, des boues ou similaires, en faisant passer la solution à travers le champ électrique de deux électrodes ! L’électrolyse peut désinfecter ou purifier des solutions aqueuses. L’alimentation d’une solution de NaCI avec de l’eau à travers les électrodes ou le long des électrodes génère du Cl2 ou du CIO2, qui peuvent oxyder les impuretés et désinfecter l’eau ou les solutions aqueuses. Si l’eau contient suffisamment de chlorures naturels, cet ajout n’est pas nécessaire.
Les vibrations ultrasoniques de l’électrode permettent de rendre la couche limite entre l’électrode et l’eau aussi mince que possible. Cela peut améliorer le transfert de masse de plusieurs ordres de grandeur. La vibration ultrasonique et la cavitation réduisent considérablement la formation de bulles microscopiques due à la polarisation. L’utilisation d’électrodes à ultrasons pour l’électrolyse améliore considérablement le procédé de purification électrolytique.

Sono-électrocoagulation (électrocoagulation par ultrasons)

L’électrocoagulation est une méthode de traitement des eaux usées permettant d’éliminer des contaminants tels que les huiles émulsionnées, les hydrocarbures pétroliers totaux, les composés organiques réfractaires, les solides en suspension et les métaux lourds. Des ions radioactifs peuvent également être éliminés pour la purification de l’eau. L’ajout de l’ultrasonication à l’électrocoagulation, également appelé sono-électrocoagulation, a un effet positif sur l’efficacité d’élimination de la demande chimique en oxygène ou de la turbidité. Les procédés de traitement combinés à l’électrocoagulation ont montré des performances nettement améliorées pour l’élimination des polluants des eaux usées industrielles. L’intégration d’une étape productrice de radicaux libres, telle que la cavitation ultrasonique, à l’électrocoagulation présente une synergie et des améliorations du processus global de nettoyage. Ces systèmes hybrides ultrasons-électrolyse ont pour but d’augmenter l’efficacité globale du traitement et d’éliminer les inconvénients des procédés de traitement conventionnels. Il a été démontré que des réacteurs hybrides ultrasons-électrocoagulation inactivent Escherichia coli dans l’eau.

Appareil à ultrasons UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) comme sono-cathode et/ou sono-anode dans une cuve

Génération sono-électrolytique in situ de réactifs ou de réactants

De nombreux procédés chimiques, tels que les réactions hétérogènes ou la catalyse, bénéficient de l’agitation ultrasonique et de la cavitation ultrasonique. L’influence sonochimique peut augmenter la vitesse de réaction ou améliorer les rendements de conversion.
Les électrodes agitées par ultrasons apportent un nouvel outil puissant aux réactions chimiques. Vous pouvez désormais combiner les avantages de la sonochimie avec l’électrolyse. Produisez de l’hydrogène, des ions hydroxyde, de l’hypochlorite et de nombreux autres ions ou matériaux neutres directement dans le champ de cavitation ultrasonique. Les produits de l’électrolyse peuvent servir de réactifs ou de réactants pour la réaction chimique.

Combinaison des ultrasons et du champ électrique pulsé

La combinaison du champ électrique pulsé (PEF) et des ultrasons (US) a des effets positifs sur l’extraction de composés physico-chimiques, bioactifs et sur la structure chimique des extraits. Dans l’extraction des amandes, le traitement combiné (PEF–US) a produit les niveaux les plus élevés de composés phénoliques totaux, de flavonoïdes totaux, de tanins condensés, de teneurs en anthocyanes et d’activité antioxydante. Il a réduit la puissance et l’activité chélatrice des métaux.
Les ultrasons (US) et le champ électrique pulsé (PEF) peuvent être employés pour améliorer l’efficacité des procédés et les taux de production dans les procédés de fermentation, en améliorant le transfert de masse et la perméabilité cellulaire.
La combinaison du champ électrique pulsé et du traitement par ultrasons a bel et bien un impact sur la cinétique de séchage à l’air et sur la qualité des légumes séchés, tels que les carottes. Le temps de séchage peut être réduit de 20 à 40%, tout en conservant les propriétés de réhydratation.

Sono-électrochimie / électrochimie ultrasonique

Ajoutez une électrolyse assistée par ultrasons pour produire des réactants ou consommer des produits de réactions chimiques afin de déplacer l’équilibre final de la réaction chimique ou de modifier la voie de la réaction chimique.

Configuration suggérée des électrodes à ultrasons

La conception innovante des ultrasonicateurs de type sonde transforme une sonotrode ultrasonique standard en une électrode vibrant aux ultrasons. Les ultrasons appliqués aux électrodes deviennent ainsi plus accessibles, plus faciles à intégrer et facilement transposables à l’échelle de la production. D’autres conceptions se contentaient d’agiter l’électrolyte entre deux électrodes non agitées. Les effets d’ombre et les schémas de propagation des ondes ultrasonores produisent des résultats inférieurs à ceux de l’agitation directe des électrodes. Vous pouvez appliquer la vibration ultrasonique aux anodes ou aux cathodes, respectivement. Bien entendu, vous pouvez modifier à tout moment la tension et la polarité des électrodes. Les électrodes Hielscher Ultrasonics s’intègrent facilement a posteriori dans des installations existantes.

Cellule sono-électrolytique étanche et réacteurs électrochimiques

Une étanchéité résistante à la pression entre la sonotrode ultrasonique (électrode) et une cuve de réacteur est disponible. Vous pouvez donc faire fonctionner la cellule électrolytique à une pression autre que la pression ambiante. La combinaison des ultrasons et de la pression est appelée mano-sonication. Cela peut présenter un intérêt si l’électrolyse produit des gaz, lorsque l’on travaille à des températures plus élevées ou lorsque l’on travaille avec des composants liquides volatils. Un réacteur électrochimique hermétiquement fermé peut fonctionner à des pressions supérieures ou inférieures à la pression ambiante. Le joint entre l’électrode à ultrasons et le réacteur peut être conducteur ou isolant électriquement. Cette dernière option permet d’utiliser les parois du réacteur comme seconde électrode. Bien entendu, le réacteur peut comporter des orifices d’entrée et de sortie pour servir de réacteur à cellule à circulation dans les procédés continus. Hielscher Ultrasonics propose une variété de réacteurs standardisés et de cellules à circulation à double enveloppe. Vous pouvez également choisir parmi une gamme d’adaptateurs pour monter les sonotrodes Hielscher sur votre réacteur électrochimique.

Disposition concentrique dans un réacteur tubulaire

Si l’électrode agitée par ultrasons se trouve à proximité d’une seconde électrode non agitée ou d’une paroi de réacteur, les ondes ultrasonores se propagent à travers le liquide et agissent également sur les autres surfaces. Une électrode agitée par ultrasons orientée de manière concentrique dans un tube ou dans un réacteur peut maintenir les parois intérieures exemptes d’encrassement ou de solides accumulés.

Température

Lorsque des sonotrodes Hielscher standard sont utilisées comme électrodes, la température de l’électrolyte peut être comprise entre 0 et 80 degrés Celsius. Des sonotrodes pour d’autres températures d’électrolyte, dans la plage de -273 degrés Celsius à 500 degrés Celsius, sont disponibles sur demande. La combinaison des ultrasons et de la température est appelée thermo-sonication.

Viscosité

Si la viscosité de l’électrolyte freine le transfert de masse, le mélange par agitation ultrasonique pendant l’électrolyse pourrait être bénéfique, car il améliore le transfert de matière vers les électrodes et depuis celles-ci.

Sono-électrolyse à courant pulsé

Un courant pulsé appliqué aux électrodes agitées par ultrasons donne des produits différents de ceux obtenus en courant continu (DC). Par exemple, le courant pulsé peut augmenter le rapport entre l’ozone et l’oxygène produits à l’anode lors de l’électrolyse d’une solution aqueuse acide, par ex. d’acide sulfurique dilué. L’électrolyse de l’éthanol en courant pulsé produit un aldéhyde au lieu de produire principalement un acide.

Équipements pour l’électro-sonication

Hielscher Ultrasonics a développé une mise à niveau sonoélectrochimique spéciale pour les transducteurs industriels. Le transducteur mis à niveau fonctionne avec presque tous les types de sonotrodes Hielscher.

Électrodes à ultrasons (sonotrodes)

Les sonotrodes sont isolées électriquement du générateur à ultrasons. Vous pouvez donc raccorder la sonotrode ultrasonique à une tension électrique, de sorte que la sonotrode puisse servir d’électrode. L’écart d’isolation électrique standard entre les sonotrodes et le contact de terre est de 2,5 mm. Vous pourriez donc appliquer jusqu’à 2500 volts à la sonotrode. Les sonotrodes standard sont massives et en titane. Le courant d’électrode n’est donc pratiquement pas limité. Le titane présente une bonne résistance à la corrosion vis-à-vis de nombreux électrolytes alcalins ou acides. D’autres matériaux de sonotrode, tels que l’aluminium (Al), l’acier (Fe), l’acier inoxydable, le nickel-chrome-molybdène ou le niobium, sont possibles. Hielscher propose des sonotrodes anodes sacrificielles économiques, par ex. en aluminium ou en acier.

Générateur à ultrasons, alimentation électrique

Le générateur à ultrasons ne nécessite aucune modification et utilise une prise électrique standard avec mise à la terre. Le cornet du transducteur et toutes les surfaces extérieures du transducteur et du générateur sont bien entendu reliés à la terre de la prise de courant. La sonotrode et un élément de fixation sont les seules pièces reliées à la tension d’électrode. Cela facilite la conception de l’installation. Vous pouvez raccorder la sonotrode à du courant continu (DC), à du courant continu pulsé ou à du courant alternatif (AC). Les électrodes à ultrasons peuvent être utilisées comme anodes ou comme cathodes, respectivement.

Équipements de production pour les procédés d’électro-sonication

Vous pouvez utiliser n’importe quel appareil à ultrasons Hielscher, tel que l’UIP500hdT, l’UIP1000hdT, l’UIP1500hdT, l’UIP2000hdT ou l’UIP4000hdT, pour coupler jusqu’à 4000 watts de puissance ultrasonique à n’importe quelle sonotrode ou cascatrode standard. L’intensité ultrasonique surfacique à la surface de la sonotrode peut être comprise entre 1 watt et 100 watts watt par centimètre carré. Différentes géométries de sonotrodes avec des amplitudes de 1 micron à 150 microns (crête-crête) sont disponibles. La fréquence ultrasonique de 20kHz est très efficace pour générer la cavitation et le courant acoustique dans l’électrolyte. Les appareils à ultrasons Hielscher peuvent fonctionner 24 heures par jour, sept jours sur sept. Vous pouvez fonctionner en continu à pleine puissance ou en mode pulsé, par ex. pour le nettoyage périodique des électrodes. Hielscher Ultrasonics peut fournir des électrodes à ultrasons d’une puissance ultrasonique allant jusqu’à 16 kilowatts (agitation mécanique) par électrode. La puissance électrique que vous pouvez raccorder aux électrodes n’est pratiquement pas limitée.

Encore une chose : pulvérisation sono-électrostatique

Hielscher Ultrasonics fabrique des équipements pour la pulvérisation, la nébulisation, l’atomisation ou l’aérosolisation de liquides. La sonotrode de pulvérisation ultrasonique peut conférer une charge positive au brouillard liquide ou aux aérosols. Cela combine la pulvérisation ultrasonique avec la technologie de pulvérisation électrostatique, par ex. pour les procédés de revêtement.

Bibliographie / Références

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