Electro-Sonication – Électrodes ultrasoniques

L'électrosonification est la combinaison des effets de l'électricité avec les effets de la sonication. Hielscher Ultrasonics a mis au point une méthode nouvelle et élégante permettant d'utiliser n'importe quelle sonotrode comme électrode. La puissance des ultrasons se trouve ainsi directement à l'interface entre l'électrode ultrasonique et le liquide. Cela permet de favoriser l'électrolyse, d'améliorer le transfert de masse et de briser les couches limites ou les dépôts. Hielscher fournit des équipements de production pour les procédés d'électrosonification en batch et en ligne à toutes les échelles. Vous pouvez combiner l'électrosonification avec la mano-sonication (pression) et la thermo-sonication (température).

Applications des électrodes ultrasoniques

L'application des ultrasons aux électrodes est une nouvelle technologie qui présente des avantages pour de nombreux processus différents dans les domaines de l'électrolyse, de la galvanisation, de l'électro-purification, de la production d'hydrogène et de l'électro-coagulation, de la synthèse de particules ou d'autres réactions électrochimiques. Hielscher Ultrasonics dispose d'électrodes à ultrasons facilement disponibles pour la recherche et le développement à l'échelle du laboratoire ou à l'échelle pilote de l'électrolyse. Après avoir testé et optimisé votre procédé électrolytique, vous pouvez utiliser l'équipement ultrasonique de Hielscher Ultrasonics pour augmenter les résultats de votre procédé à des niveaux de production industrielle. Vous trouverez ci-dessous des suggestions et des recommandations pour l'utilisation des électrodes à ultrasons.

Sono-électrolyse (électrolyse ultrasonique)

L'électrolyse est l'échange d'atomes et d'ions par le retrait ou l'ajout d'électrons résultant de l'application d'un courant électrique. Les produits de l'électrolyse peuvent avoir 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 également produire des gaz, tels que de l'hydrogène, du chlore ou de l'oxygène. L'agitation ultrasonique d'une électrode peut briser les dépôts solides de la surface de l'électrode. Le dégazage ultrasonique produit rapidement de plus grosses bulles de gaz à partir des gaz dissous des microbulles. Cela conduit à une séparation plus rapide des produits gazeux de l'électrolyte.

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

Transfert de masse amélioré par ultrasons à la surface des électrodes

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

Effets des ultrasons sur le potentiel de décomposition

L'agitation ultrasonique de l'anode, de la cathode ou des deux électrodes peut affecter le potentiel de décomposition ou la tension de décomposition. La cavitation seule est connue pour briser les molécules, produire des radicaux libres ou de l'ozone. La combinaison de la cavitation et de l'électrolyse dans une électrolyse améliorée par ultrasons peut affecter 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.

Les ultrasons dans l'électro-raffinage et l'électro-extraction

Dans le processus d'électroaffinage, 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 électroextraction, l'électrodéposition des métaux à partir de leurs minerais peut être transformée en précipité solide. Les métaux électrogènes courants sont le plomb, le cuivre, l'or, l'argent, le zinc, l'aluminium, le chrome, le cobalt, le manganèse, les 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 exemple une solution aqueuse comme les eaux usées, les boues ou autres, en faisant passer la solution par 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 des électrodes ou entre des électrodes génère du Cl2 ou du CIO2, qui peut oxyder les impuretés et désinfecter l'eau ou les solutions aqueuses. Si l'eau contient suffisamment de chlorures naturels, il n'est pas nécessaire d'en ajouter.
Les vibrations ultrasoniques de l'électrode peuvent rendre la couche limite entre l'électrode et l'eau aussi fine que possible. Cela peut améliorer le transfert de masse de plusieurs ordres de grandeur. Les vibrations ultrasoniques et la cavitation réduisent considérablement la formation de bulles microscopiques dues à la polarisation. L'utilisation d'électrodes à ultrasons pour l'électrolyse améliore considérablement le processus de purification électrolytique.

Sono-électrocoagulation (électrocoagulation ultrasonique)

L'électrocoagulation est une méthode de traitement des eaux usées qui permet d'éliminer les contaminants tels que l'huile émulsifiée, les hydrocarbures pétroliers totaux, les matières organiques réfractaires, les solides en suspension et les métaux lourds. Les ions radioactifs peuvent également être éliminés pour la purification de l'eau. L'ajout de l'électrocoagulation par ultrasons, également connue sous le nom de sono-électrocoagulation, a un effet positif sur la demande chimique en oxygène ou sur l'efficacité de l'élimination de la turbidité. Les processus de traitement combinés par électrocoagulation ont montré des performances considérablement améliorées dans l'élimination des polluants des eaux usées industrielles. L'intégration d'une étape produisant des radicaux libres, telle que la cavitation ultrasonique, à l'électrocoagulation montre une synergie et des améliorations dans le processus de nettoyage global. L'objectif de l'utilisation de ces systèmes hybrides ultrasoniques-électrolytiques est d'augmenter l'efficacité globale du traitement et d'éliminer les inconvénients des processus de traitement conventionnels. Il a été démontré que les réacteurs hybrides ultrasoniques-électrocoagulation inactivent Escherichia coli dans l'eau.

Ultrasons UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) comme Sono-Cathode et/ou Sono-Anode dans un réservoir

Génération in situ de réactifs ou de réactifs par sono-électrolyse

De nombreux processus chimiques, tels que les réactions hétérogènes ou la catalyse, bénéficient de l'agitation et de la cavitation ultrasoniques. L'influence sono-chimique peut augmenter la vitesse de réaction ou améliorer les rendements de conversion.
Les électrodes à agitation ultrasonique ajoutent un nouvel outil puissant aux réactions chimiques. Vous pouvez désormais combiner les avantages de la sonochimie et de 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 réactifs à 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 des composés physicochimiques et 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 phénols totaux, de flavonoïdes totaux, de tannins condensés, de teneurs en anthocyanes et d'activité antioxydante. Il a réduit le pouvoir et l'activité de chélation des métaux.
Les ultrasons (US) et le champ électrique pulsé (PEF) peuvent être utilisés pour améliorer l'efficacité des processus et les taux de production dans les processus de fermentation en améliorant le transfert de masse et la perméabilité des cellules.
La combinaison du champ électrique pulsé et du traitement par ultrasons a un impact sur la cinétique du 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 par ultrasons

Ajouter l'électrolyse améliorée par ultrasons pour produire des réactifs 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 ultrasoniques

La conception innovante des appareils à ultrasons à sonde transforme une sonotrode à ultrasons standard en une électrode vibrant aux ultrasons. Cela rend les ultrasons pour les électrodes plus accessibles, plus faciles à intégrer et facilement adaptables aux niveaux de production. D'autres modèles agitent l'électrolyte entre deux électrodes non agitées, uniquement. L'ombrage et les modèles de propagation des ondes ultrasonores produisent des résultats inférieurs à ceux de l'agitation directe des électrodes. Il est possible d'ajouter des vibrations ultrasonores aux anodes ou aux cathodes, respectivement. Bien entendu, vous pouvez modifier la tension et la polarité des électrodes à tout moment. Les électrodes Hielscher Ultrasonics s'adaptent facilement aux installations existantes.

Cellules sono-électrolytiques et réacteurs électrochimiques scellés

Un joint étanche à la pression est disponible entre la sonotrode à ultrasons (électrode) et le récipient du réacteur. Il est donc possible de 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 être intéressant si l'électrolyse produit des gaz, si l'on travaille à des températures plus élevées ou si 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 rendu électriquement conducteur ou isolant. Dans ce dernier cas, les parois du réacteur peuvent servir de deuxième électrode. Bien entendu, le réacteur peut être doté d'orifices d'entrée et de sortie afin de fonctionner comme un réacteur à cellule d'écoulement pour les processus continus. Hielscher Ultrasonics propose une variété de réacteurs standardisés et de cellules d'écoulement à double enveloppe. Vous pouvez également choisir parmi une gamme d'adaptateurs pour adapter les sonotrodes Hielscher à votre réacteur électrochimique.

Arrangement concentrique dans un réacteur à tubes

Si l'électrode agitée par ultrasons se trouve à proximité d'une deuxième électrode non agitée ou d'une paroi du réacteur, les ondes ultrasonores se propagent dans le liquide et agissent également sur les autres surfaces. Une électrode à agitation ultrasonique orientée de manière concentrique dans une conduite 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 thermosonication.

viscosité

Si la viscosité de l'électrolyte empêche le transfert de masse, le mélange par agitation ultrasonique pendant l'électrolyse pourrait être bénéfique car il améliore le transfert du matériau vers et depuis les électrodes.

Sono-électrolyse avec courant pulsé

Le courant pulsé sur les électrodes agitées par ultrasons donne des produits différents du courant continu (CC). Par exemple, le courant pulsé peut augmenter le rapport entre l'ozone et l'oxygène produit à l'anode lors de l'électrolyse d'une solution aqueuse acide, par exemple de l'acide sulfurique dilué. L'électrolyse à courant pulsé de l'éthanol produit un aldéhyde au lieu d'un acide.

Équipement pour l'électrosonification

Hielscher Ultrasonics a mis au point une amélioration sonoélectrochimique spéciale pour les transducteurs industriels. Le transducteur amélioré fonctionne avec presque tous les types de sonotrodes Hielscher.

Électrodes ultrasoniques (Sonotrodes)

Les sonotrodes sont isolées électriquement du générateur d'ultrasons. Par conséquent, vous pouvez connecter la sonotrode à ultrasons à une tension électrique, de sorte que la sonotrode puisse agir comme une électrode. L'espace d'isolation électrique standard entre les sonotrodes et le contact de terre est de 2,5 mm. Il est donc possible d'appliquer jusqu'à 2500 volts à la sonotrode. Les sonotrodes standard sont solides et fabriquées en titane. Par conséquent, il n'y a pratiquement aucune restriction au courant de l'électrode. Le titane présente une bonne résistance à la corrosion dans 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 à anode sacrificielle économiques, par exemple en aluminium ou en acier.

Générateur d'ultrasons, alimentation

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

Équipement de production pour les procédés d'électrosonification

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

Encore une chose : la 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 permet de combiner la pulvérisation ultrasonique avec la technologie de pulvérisation électrostatique, par exemple pour les processus de revêtement.