Technologie des ultrasons Hielscher

La sono-électrochimie et ses avantages

Vous trouverez ici tout ce que vous devez savoir sur l'électrochimie ultrasonore (sono-électrochimie) : principe de fonctionnement, applications, avantages et équipement sono-électrochimique – toutes les informations pertinentes sur la sonoélectrochimie sur une page.

Pourquoi appliquer les ultrasons à l'électrochimie ?

La combinaison d'ondes ultrasonores de basse fréquence et de haute intensité avec des systèmes électrochimiques présente de nombreux avantages, qui améliorent l'efficacité et le taux de conversion des réactions électrochimiques.

Le principe de fonctionnement des ultrasons

Pour un traitement ultrasonique performant, des ultrasons de haute intensité et de basse fréquence sont générés par un générateur d'ultrasons et transmis par une sonde ultrasonique (sonotrode) dans un liquide. Les ultrasons de haute puissance sont considérés comme des ultrasons dans la gamme de 16 à 30 kHz. La sonde à ultrasons se dilate et se contracte par exemple à 20 kHz, transmettant ainsi respectivement 20 000 vibrations par seconde dans le milieu. Lorsque les ondes ultrasonores traversent le liquide, des cycles alternés de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction ou expansion) créent de minuscules bulles ou cavités de vide, qui se développent sur plusieurs cycles de pression. Pendant la phase de compression du liquide et des bulles, la pression est positive, tandis que la phase de raréfaction produit un vide (pression négative). Pendant les cycles de compression-détente, les cavités du liquide se développent jusqu'à atteindre une taille à laquelle elles ne peuvent plus absorber d'énergie. À ce stade, elles implosent violemment. L'implosion de ces cavités entraîne divers effets hautement énergétiques, connus sous le nom de phénomène de cavitation acoustique / ultrasonique. La cavitation acoustique est caractérisée par de nombreux effets hautement énergétiques, qui ont un impact sur les liquides, les systèmes solides/liquides ainsi que les systèmes gaz/liquides. La zone de densité d'énergie ou zone de cavitation est connue sous le nom de zone de point chaud, qui est la plus dense en énergie à proximité de la sonde ultrasonique et qui diminue avec la distance de la sonotrode. Les principales caractéristiques de la cavitation ultrasonore comprennent des températures et des pressions très élevées qui se produisent localement, ainsi que les différentiels, les turbulences et les courants liquides respectifs. Lors de l'implosion des cavités ultrasonores dans les points chauds ultrasonores, des températures allant jusqu'à 5000 Kelvin, des pressions allant jusqu'à 200 atmosphères et des jets de liquide allant jusqu'à 1000km/h peuvent être mesurés. Ces conditions exceptionnelles d'intensité énergétique contribuent à des effets sonomécaniques et sonochimiques qui intensifient les systèmes électrochimiques de diverses manières.

Ultrasonic electrodes for sonoelectrochemical applications such as nanoparticle synthesis (electrosynthesis), hydrogen synthesis, electrocoagulation, wastewater treatment, breaking emulsions, electroplating / electrodeposition

Les sondes des processeurs ultrasoniques UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) agir comme cathode et anode dans une cellule électrolytique

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Effets des ultrasons sur les réactions électrochimiques

  • Augmente le transfert de masse
  • Érosion / dispersions de solides (électrolytes)
  • Perturbation des frontières solides/liquides
  • Cycles de haute pression

Les effets des ultrasons sur les systèmes électrochimiques

L'application des ultrasons aux réactions électrochimiques est connue pour ses divers effets sur les électrodes, c'est-à-dire l'anode et la cathode, ainsi que sur la solution électrolytique. La cavitation ultrasonore et le flux acoustique génèrent un micro-mouvement important, qui se traduit par des jets de liquide et une agitation dans le fluide de réaction. Il en résulte une amélioration de l'hydrodynamique et du mouvement du mélange liquide/solide. La cavitation ultrasonique réduit l'épaisseur effective de la couche de diffusion au niveau d'une électrode. Une couche de diffusion réduite signifie que la sonication minimise la différence de concentration, ce qui signifie que la convergence de la concentration au voisinage d'une électrode et la valeur de la concentration dans la solution en vrac sont favorisées par les ultrasons. L'influence de l'agitation ultrasonore sur les gradients de concentration pendant la réaction assure l'alimentation permanente de l'électrode en solution fraîche et l'enlèvement du matériau ayant réagi. Cela signifie que la sonication a amélioré la cinétique globale, accélérant la vitesse de réaction et augmentant le rendement de la réaction.
Par l'introduction d'énergie ultrasonore dans le système ainsi que par la formation sonochimique de radicaux libres, une réaction électrochimique, qui autrement aurait été électroinactive, peut être initiée. Another L'effet important des vibrations et des flux acoustiques est l'effet de nettoyage sur les surfaces des électrodes. Les couches de passivation et l'encrassement des électrodes limitent l'efficacité et la vitesse de réaction des réactions électrochimiques. Les ultrasons maintiennent les électrodes en permanence propres et entièrement actives pour la réaction.Ultrasonication est bien connu pour ses effets de dégazage, qui sont également bénéfiques dans les réactions électrochimiques. En éliminant les gaz indésirables du liquide, la réaction peut être plus efficace.

Avantages de l'électrochimie promue par ultrasons

  • Augmentation des rendements électrochimiques
  • Amélioration de la vitesse de réaction électrochimique
  • Amélioration de l'efficacité globale
  • Couches de diffusion réduites
  • Amélioration du transfert de masse sur le site electrode
  • Activation de surface à l'électrode
  • Suppression des couches de passivation et de l'encrassement
  • Electrode réduite overpotentials
  • Dégazage efficace de la solution
  • Une qualité de galvanoplastie supérieure
Ultrasonic electrodes improve the efficiency, yield and conversion rate of electrochemical processes.

La sonde ultrasonore fait office d'électrode. Les ondes ultrasonores favorisent les réactions électrochimiques, ce qui se traduit par une meilleure efficacité, des rendements plus élevés et des taux de conversion plus rapides.
Lorsque la sonication est combinée avec l'électrochimie, il s'agit de la sono-électrochimie.

Applications de la sonoélectrochimie

La sonoélectrochimie peut être appliquée à divers procédés et dans différentes industries. Parmi les applications très courantes de la sonoélectrochimie, on peut citer les suivantes :

  • Synthèse de nanoparticules (électrosynthèse)
  • Synthèse de l'hydrogène
  • Electrocoagulation
  • Traitement des eaux usées
  • Briser les émulsions
  • Électrodéposition

Synthèse sono-électrochimique des nanoparticules

Les ultrasons ont été appliqués avec succès pour synthétiser diverses nanoparticules dans un système électrochimique. Magnétite, nanotubes de cadmium-sélénium (CdSe), nanoparticules de platine (NP), NP d'or, magnésium métallique, bismuthène, nano-argent, cuivre ultra-fin, nanoparticules d'alliage tungstène-cobalt (W-Co), nanocomposite samaria/oxyde de graphène réduit, nanoparticules de cuivre de moins de 1 nm recouvertes de poly(acide acrylique) et de nombreuses autres poudres de taille nanométrique ont été produites avec succès grâce à la sonoélectrochimie.
Les avantages de la synthèse de nanoparticules par voie sono-électrochimique sont les suivants

  • éviter les agents réducteurs et les agents de surface
  • l'utilisation de l'eau comme solvant
  • ajustement de la taille des nanoparticules en fonction de divers paramètres (puissance ultrasonore, densité de courant, potentiel de dépôt et durée des impulsions ultrasonores et électrochimiques)

Ashasssi-Sorkhabi et Bagheri (2014) ont synthétisé des films de polypyrrole par voie sono-électrochimique et ont comparé les résultats à des films de polypyrrole synthétisés par voie électrochimique. Les résultats montrent que la sonoélectrodéposition galvanostatique a produit un film de polypyrrole (PPy) fortement adhérent et lisse sur l'acier, avec une densité de courant de 4 mA cm-2 dans une solution de pyrrole 0,1 M d'acide oxalique/0,1 M. En utilisant la polymérisation sono-électrochimique, ils ont obtenu des films de PPy très résistants et tenaces avec une surface lisse. Il a été démontré que les revêtements de PPy préparés par la sonoélectrochimie offrent une protection anticorrosion substantielle à l'acier St-12. Le revêtement synthétisé était uniforme et présentait une grande résistance à la corrosion. Tous ces résultats peuvent être attribués au fait que les ultrasons ont amélioré le transfert de masse des réactifs et ont provoqué des taux de réaction chimique élevés par cavitation acoustique et les températures et pressions élevées qui en résultent. La validité des données d'impédance pour l'interface acier St-12 / deux revêtements PPy / milieu corrosif a été vérifiée à l'aide des transformées KK, et de faibles erreurs moyennes ont été observées.

Hass et Gedanken (2008) ont rapporté la réussite de la synthèse sono-électrochimique de nanoparticules de magnésium métallique. L'efficacité du processus sono-électrochimique du réactif de Gringard dans le tétrahydrofuranne (THF) ou dans une solution de dibutyldiglyme était de 41,35 % et 33,08 %, respectivement. L'ajout d'AlCl3 à la solution de Gringard a considérablement augmenté l'efficacité, la portant à 82,70% et 51,69% dans le THF ou le dibutyldiglyme, respectivement.

Production d'hydrogène par voie électrochimique

L'électrolyse favorisée par les ultrasons augmente considérablement le rendement en hydrogène de l'eau ou des solutions alcalines. Cliquez ici pour en savoir plus sur la synthèse électrolytique d'hydrogène accélérée par ultrasons !

Électrocoagulation assistée par ultrasons

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.
Les exemples de procédés de sono-électrocoagulation réussis sont la réduction du Cr(VI) en Cr(III) dans les eaux usées pharmaceutiques, l'élimination du phosphore total des effluents de l'industrie de la chimie fine avec une efficacité d'élimination du phosphore de 99,5% en 10 minutes, l'élimination de la couleur et de la DCO des effluents de l'industrie de la pâte et du papier, etc. Les rendements d'élimination signalés pour la couleur, la DCO, le Cr(VI), le Cu(II) et le P étaient respectivement de 100 %, 95 %, 100 %, 97,3 % et 99,84 %. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Dégradation sono-électrochimique des polluants

Les réactions d'oxydation et/ou de réduction électrochimique favorisées par les ultrasons sont appliquées comme méthode puissante pour dégrader les polluants chimiques. Des mécanismes sonomécaniques et sonochimiques favorisent la dégradation électrochimique des polluants. La cavitation générée par les ultrasons entraîne une agitation intense, un micro-mélange, un transfert de masse et l'élimination des couches passives des électrodes. Ces effets de cavitation se traduisent principalement par une amélioration du transfert de masse solide-liquide entre les électrodes et la solution. Les effets sonochimiques ont un impact direct sur les molécules. Le clivage homolytique des molécules crée des oxydants très réactifs. En milieu aqueux et en présence d'oxygène, des radicaux tels que HO-, HO2- et O- sont produits. Les radicaux -OH sont connus pour être importants pour la décomposition efficace des matières organiques. Dans l'ensemble, la dégradation sono-électrochimique est très efficace et convient au traitement de grands volumes de flux d'eaux usées et d'autres liquides pollués.
Par exemple, Lllanos et al. (2016) ont constaté que des effets synergiques significatifs étaient obtenus pour la désinfection de l'eau lorsque le système électrochimique était intensifié par la sonication (désinfection sono-électrochimique). Cette augmentation du taux de désinfection s'est avérée être liée à la suppression des agrégats de cellules d'E. coli ainsi qu'à une production accrue d'espèces désinfectantes. Esclapez et al. (2010) ont montré qu'un réacteur sono-électrochimique spécialement conçu (mais non optimisé) était utilisé lors de la mise à l'échelle de la dégradation de l'acide trichloracétique (TCAA), la présence du champ ultrasonore généré avec l'UIP1000hd a donné de meilleurs résultats (conversion fractionnelle 97 %, efficacité de dégradation 26 %, sélectivité 0,92 et efficacité du courant 8 %) à des intensités ultrasonores et un débit volumétrique plus faibles. Compte tenu du fait que le réacteur sono-électrochimique pré-pilote n'était pas encore optimisé, il est très probable que ces résultats puissent être encore améliorés.

Voltampérométrie et électrodéposition par ultrasons

L'électrodéposition a été effectuée par galvanostatisme à une densité de courant de 15 mA/cm2. Les solutions ont été soumises à des ultrasons avant l'électrodéposition pendant 5 à 60 minutes. Un Hielscher Ultrasonateur de type sonde UP200S a été utilisé à un temps de cycle de 0,5. L'échographie a été réalisée en plongeant directement la sonde à ultrasons dans la solution. Pour évaluer l'impact des ultrasons sur la solution avant l'électrodéposition, la voltampérométrie cyclique (CV) a été utilisée afin de révéler le comportement de la solution et permet de prévoir les conditions idéales pour l'électrodéposition. On observe que lorsque la solution est soumise à une ultrasonification avant l'électrodéposition, le dépôt commence à des valeurs de potentiel moins négatives. Cela signifie qu'à courant égal dans la solution, un potentiel moins élevé est nécessaire, car les espèces présentes dans la solution se comportent de manière plus active que celles qui ne sont pas soumises à l'ultrason. (cf. Yurdal & Karahan 2017)

Ultrasons UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) comme cathode et/ou anode dans un réservoir

Ultrasons UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) comme cathode et/ou anode dans un réservoir

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Sondes électrochimiques et sonoélectro réacteurs à haute performance

Hielscher Ultrasons est votre partenaire expérimenté de longue date pour les systèmes à ultrasons de haute performance. Nous fabriquons et distribuons des sondes et des réacteurs ultrasonores de pointe, qui sont utilisés dans le monde entier pour des applications lourdes dans des environnements exigeants. Pour la sonoélectrochimie, Hielscher a développé des sondes ultrasoniques spéciales, qui peuvent servir de cathode et/ou d'anode, ainsi que des cellules de réacteur ultrasonique adaptées aux réactions électrochimiques. Les électrodes et cellules ultrasoniques sont disponibles pour les systèmes galvaniques / voltaïques ainsi que pour les systèmes électrolytiques.

Des amplitudes précisément contrôlables pour des résultats optimaux

Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.Tous les processeurs à ultrasons de Hielscher sont contrôlables avec précision et donc des chevaux de travail fiables en R&D et production. L'amplitude est l'un des paramètres de processus cruciaux qui influencent l'efficacité et l'efficience des réactions induites par la sonochimie et la sonomécanique. Tous les ultrasons Hielscher’ Les processeurs permettent de régler précisément l'amplitude. Les processeurs industriels à ultrasons de Hielscher peuvent fournir de très grandes amplitudes et délivrer l'intensité ultrasonore requise pour des applications sono-électrochamiques exigeantes. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent facilement être utilisées en continu, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7.
Des réglages d'amplitude précis et le contrôle permanent des paramètres du processus ultrasonore par un logiciel intelligent vous donnent la possibilité d'influencer précisément la réaction sono-électrochimique. Lors de chaque sonication, tous les paramètres ultrasonores sont automatiquement enregistrés sur une carte SD intégrée, de sorte que chaque sonication peut être évaluée et contrôlée. Une sonication optimale pour des réactions sono-électrochimiques plus efficaces !
Tous les équipements sont conçus pour une utilisation 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et 365 jours par an à pleine charge. Leur robustesse et leur fiabilité en font le cheval de bataille de votre processus électrochimique. Cela fait de l'équipement à ultrasons de Hielscher un outil de travail fiable qui répond aux exigences de votre processus électrochimique.

La plus haute qualité – Conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu'entreprise familiale, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les appareils à ultrasons sont conçus, fabriqués et testés de manière approfondie dans notre siège social de Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font un cheval de bataille dans votre production. Le fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des sondes et des réacteurs ultrasoniques hautes performances de Hielscher.

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

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