La sono-électrochimie et ses avantages

Vous trouverez ici tout ce qu'il faut savoir sur l'électrochimie ultrasonique (sonoélectrochimie) : principe de fonctionnement, applications, avantages et équipement sonoélectrochimique. – toutes les informations pertinentes sur la sonoélectrochimie sur une seule 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 de haute performance, 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 se propagent dans le liquide, l'alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction ou expansion) crée de minuscules bulles de vide ou cavités, 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). Au cours des cycles de compression-détente, les cavités dans le liquide se développent jusqu'à ce qu'elles atteignent une taille telle qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie. Elles implosent alors violemment. L'implosion de ces cavités entraîne divers effets hautement énergétiques, connus sous le nom de phénomène de cavitation acoustique / ultrasonique. La cavitation acoustique se caractérise par de nombreux effets hautement énergétiques qui ont un impact sur les liquides, les systèmes solide/liquide et les systèmes gaz/liquide. La zone dense en 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 à mesure que l'on s'éloigne de la sonotrode. Les principales caractéristiques de la cavitation ultrasonique comprennent des températures et des pressions localement très élevées, ainsi que des différentiels, des turbulences et des écoulements de liquide. Lors de l'implosion de cavités ultrasoniques dans des points chauds ultrasoniques, on peut mesurer des températures allant jusqu'à 5 000 kelvins, des pressions allant jusqu'à 200 atmosphères et des jets de liquide allant jusqu'à 1 000 km/h. Ces conditions exceptionnelles d'intensité énergétique contribuent à l'amélioration de la qualité de l'air et de la qualité de l'eau. Ces conditions exceptionnelles d'intensité énergétique contribuent aux effets sonomécaniques et sonochimiques qui intensifient les systèmes électrochimiques de diverses manières.

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 ultrasonique et le flux acoustique génèrent des micro-mouvements significatifs, 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, c'est-à-dire que la convergence de la concentration à proximité d'une électrode et de la valeur de la concentration dans la solution en vrac est favorisée par les ultrasons. L'influence de l'agitation ultrasonique sur les gradients de concentration pendant la réaction garantit l'alimentation permanente de l'électrode en solution fraîche et l'évacuation du matériau réagi. Cela signifie que la sonication a amélioré la cinétique globale en accélérant le taux de réaction et en augmentant le rendement de la réaction.
L'introduction d'énergie ultrasonique dans le système et la formation sonochimique de radicaux libres permettent d'initier une réaction électrochimique qui, autrement, aurait été électroinactive. Un autre effet important des vibrations acoustiques et de l'écoulement est l'effet nettoyant sur les surfaces des électrodes. Les couches passivantes et l'encrassement des électrodes limitent l'efficacité et la vitesse des réactions électrochimiques. L'ultrasonication maintient les électrodes propres en permanence et entièrement actives pour la réaction.Les ultrasons sont bien connus pour leurs effets de dégazage, qui sont également bénéfiques pour les réactions électrochimiques. En éliminant les gaz indésirables du liquide, la réaction peut se dérouler plus efficacement.

Applications de la sonoélectrochimie

La sonoélectrochimie peut être appliquée à différents processus et dans différentes industries. Les applications les plus courantes de la sonoélectrochimie sont les suivantes :

• Synthèse de nanoparticules (électrosynthèse)
• synthèse de l'hydrogène
• électrocoagulation
• Traitement des eaux usées
• Rupture des émulsions
• Placage électrolytique / électrodéposition

Synthèse sono-électrochimique de nanoparticules

L'ultrasonication a été appliquée avec succès pour synthétiser diverses nanoparticules dans un système électrochimique. La magnétite, les nanotubes de cadmium-sélénium (CdSe), les nanoparticules de platine, les nanoparticules d'or, le magnésium métallique, le bismuthène, le nano-argent, le cuivre ultrafin, les nanoparticules d'alliage tungstène-cobalt (W-Co), le nanocomposite samaria/oxyde de graphène réduit, les nanoparticules de cuivre recouvertes d'acide poly(acrylique) de taille inférieure à 1 nm et de nombreuses autres poudres de taille nanométrique ont été produites avec succès en utilisant la sonoélectrochimie.
Les avantages de la synthèse de nanoparticules par voie sonoélectrochimique 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 variant les paramètres (puissance ultrasonique, densité de courant, potentiel de dépôt et temps d'impulsion ultrasonique/électrochimique)

Ashasssi-Sorkhabi et Bagheri (2014) ont synthétisé des films de polypyrrole par voie sonoélectrochimique et ont comparé les résultats aux 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 d'acide oxalique/0,1 M de pyrrole. En utilisant la polymérisation sonoélectrochimique, ils ont obtenu des films de PPy résistants et solides avec une surface lisse. Il a été démontré que les revêtements de PPy préparés par sonoélectrochimie offrent une protection anticorrosion substantielle à l'acier St-12. Le revêtement synthétisé était uniforme et présentait une résistance élevée à la corrosion. Tous ces résultats peuvent être attribués au fait que les ultrasons améliorent le transfert de masse des réactifs et provoquent des taux de réaction chimique élevés via la 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/milieux corrosifs a été vérifiée à l'aide des transformées de KK, et de faibles erreurs moyennes ont été observées.

Hass et Gedanken (2008) ont rapporté la synthèse sono-électrochimique réussie de nanoparticules métalliques de magnésium. Les rendements du processus sonoélectrochimique du réactif de Gringard dans le tétrahydrofurane (THF) ou dans une solution de dibutyldiglyme étaient respectivement de 41,35 % et 33,08 %. 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 sono-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 !

Electrocoagulation assistée par ultrasons

L'application d'ultrasons à basse fréquence aux systèmes d'électrocoagulation est connue sous le nom de sono-électrocoagulation. Des études montrent que la sonication a une influence positive sur l'électrocoagulation, ce qui se traduit par exemple par une efficacité accrue de l'élimination des hydroxydes de fer dans les eaux usées. L'impact positif des ultrasons sur l'électrocoagulation s'explique par la réduction de la passivation des électrodes. Les ultrasons à basse fréquence et à haute intensité détruisent les couches solides déposées et les éliminent efficacement, ce qui permet aux électrodes de rester pleinement actives en permanence. En outre, les ultrasons activent les deux types d'ions, c'est-à-dire les cations et les anions, présents dans la zone de réaction des électrodes. L'agitation ultrasonique entraîne un micro-mouvement important de la solution qui alimente et transporte les matières premières et le produit vers et depuis les électrodes.
Parmi les exemples de procédés de sono-électrocoagulation réussis, on peut citer la réduction du Cr(VI) en Cr(III) dans les eaux usées pharmaceutiques, l'élimination du phosphore total des effluents de l'industrie chimique 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 à papier et du papier, etc. Les efficacités d'élimination de la couleur, de la DCO, du Cr(VI), du Cu(II) et du 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 électrochimiques d'oxydation et/ou de réduction favorisées par les ultrasons constituent une méthode efficace pour dégrader les polluants chimiques. Les 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 passivantes 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 leur importance dans la décomposition efficace des matériaux organiques. Dans l'ensemble, la dégradation sono-électrochimique est très efficace et convient au traitement de grands volumes d'eaux usées et d'autres liquides pollués.
Par exemple, Lllanos et al. (2016) ont constaté qu'un effet synergique significatif était obtenu pour la désinfection de l'eau lorsque le système électrochimique était intensifié par sonication (désinfection sono-électrochimique). Cette augmentation du taux de désinfection s'est avérée liée à la suppression des aggolomérats cellulaires d'E. coli ainsi qu'à une production accrue d'espèces désinfectantes. Esclapez et al. (2010) ont montré qu'un réacteur sonoélectrochimique spécialement conçu (mais non optimisé) a été utilisé lors de la mise à l'échelle de la dégradation de l'acide trichloracétique (TCAA), la présence d'un 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 des débits volumétriques plus faibles. Compte tenu du fait que le réacteur sonoélectrochimique pré-pilote n'a pas encore été optimisé, il est très probable que ces résultats puissent être encore améliorés.

Voltampérométrie ultrasonique et électrodéposition

L'électrodéposition a été réalisée de manière galvanostatique 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. A Hielscher Ultrasonateur à sonde UP200S a été utilisé à un temps de cycle de 0,5. L'ultrasonication 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 de permettre de prédire les conditions idéales pour l'électrodéposition. On observe que lorsque la solution est soumise à des ultrasons avant l'électrodéposition, le dépôt commence à des valeurs de potentiel moins négatives. Cela signifie qu'à courant égal dans la solution, moins de potentiel est nécessaire, car les espèces dans la solution se comportent de manière plus active que dans les solutions non soumises à l'ultrason. (cf. Yurdal & Karahan 2017)

Sondes électrochimiques et sonoélectroréacteurs de haute performance

Hielscher Ultrasonics est votre partenaire expérimenté de longue date pour les systèmes ultrasoniques de haute performance. Nous fabriquons et distribuons des sondes et des réacteurs à ultrasons 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 réacteurs ultrasoniques adaptés aux réactions électrochimiques. Les électrodes et cellules à ultrasons sont disponibles pour les systèmes galvaniques / voltaïques et électrolytiques.

Amplitudes contrôlables avec précision pour des résultats optimaux

Tous les processeurs à ultrasons Hielscher sont contrôlables avec précision et constituent donc des outils de travail fiables dans le domaine de la recherche et du développement.&D et la production. L'amplitude est l'un des paramètres cruciaux du processus qui influencent l'efficacité des réactions induites par la sonochimie et la sonomécanique. Tous les produits Hielscher Ultrasonics’ permettent un réglage précis de l'amplitude. Les processeurs ultrasoniques industriels de Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées et l'intensité ultrasonique requise pour les applications sono-électrochamiques exigeantes. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
Les réglages précis de l'amplitude et le contrôle permanent des paramètres du processus ultrasonique via un logiciel intelligent permettent d'influencer précisément la réaction sonoélectrochimique. Pendant chaque cycle de sonication, tous les paramètres ultrasoniques sont automatiquement enregistrés sur une carte SD intégrée, ce qui permet d'évaluer et de contrôler chaque cycle. Une sonication optimale pour des réactions sonoélectrochimiques plus efficaces !
Tous les équipements sont conçus pour une utilisation 24/7/365 à pleine charge et leur robustesse et leur fiabilité en font le cheval de bataille de votre processus électrochimique. L'équipement ultrasonique de Hielscher est donc un outil de travail fiable qui répond aux exigences de votre processus sonoélectrochimique.

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 minutieusement dans notre siège social de Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font des outils de travail pour 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 réacteurs à ultrasons haute performance de Hielscher.

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