אלקטרו־סוניקציה – אלקטרודות אולטרסוניות

אלקטרו־סוניקציה היא שילוב של השפעות החשמל עם השפעות הסוניקציה. Hielscher Ultrasonics פיתחה שיטה חדשה ואלגנטית לשימוש בכל סונוטרודה כאלקטרודה. כך מופעלת עוצמת האולטרסאונד ישירות בממשק שבין האלקטרודה האולטרסונית לנוזל. שם היא יכולה לקדם אלקטרוליזה, לשפר מעבר מסה ולפרק שכבות גבול או משקעים. Hielscher מספקת ציוד ברמת ייצור לתהליכי אלקטרו־סוניקציה במנות ובתהליכים בקו, בכל קנה מידה. ניתן לשלב אלקטרו־סוניקציה עם מנו־סוניקציה (לחץ) ותרמו־סוניקציה (טמפרטורה).

יישומים של אלקטרודות אולטרסוניות

הפעלת אולטרסאונד על אלקטרודות היא טכנולוגיה חדשנית המציעה יתרונות לתהליכים רבים ושונים באלקטרוליזה, גלוון, טיהור חשמלי, ייצור מימן ואלקטרו־קואגולציה, סינתזת חלקיקים או תגובות אלקטרוכימיות אחרות. ל־Hielscher Ultrasonics יש אלקטרודות אולטרסוניות הזמינות לאספקה לצורכי מחקר ופיתוח באלקטרוליזה בקנה מידה מעבדתי או בקנה מידה של פיילוט. לאחר בדיקת התהליך האלקטרוליטי שלכם ומיטובו, תוכלו להשתמש בציוד האולטרסאונד של Hielscher Ultrasonics בגודל המיועד לייצור כדי להגדיל את קנה המידה של תוצאות התהליך לרמות ייצור תעשייתיות. להלן תמצאו הצעות והמלצות לשימוש באלקטרודות אולטרסוניות.

סונו־אלקטרוליזה (אלקטרוליזה אולטרסונית)

אלקטרוליזה היא חילוף בין אטומים ליונים באמצעות הסרה או הוספה של אלקטרונים כתוצאה מהפעלת זרם חשמלי. תוצרי האלקטרוליזה יכולים להיות במצב צבירה שונה מזה של האלקטרוליט. אלקטרוליזה יכולה לייצר מוצקים, כגון משקעים או שכבות מוצקות על כל אחת מהאלקטרודות. לחלופין, אלקטרוליזה יכולה לייצר גזים, כגון מימן, כלור או חמצן. הנעה אולטרסונית של אלקטרודה יכולה לנתק משקעים מוצקים מפני השטח של האלקטרודה. סילוק גזים באולטרסאונד יוצר במהירות בועות גז גדולות יותר מגזים מומסים של מיקרו־בועות. הדבר מוביל להפרדה מהירה יותר של התוצרים הגזיים מהאלקטרוליט.

UIP2000hdT אולטרסוני (2000 ואט, 20kHz) כקתודה ו/או כאנודה בתא אלקטרוליטי

מעבר מסה משופר באמצעות אולטרסאונד על פני השטח של האלקטרודה

במהלך תהליך האלקטרוליזה, התוצרים מצטברים בקרבת האלקטרודות או על פני השטח של האלקטרודה. הנעה אולטרסונית היא כלי יעיל מאוד להגברת מעבר המסה בשכבות הגבול. השפעה זו מביאה אלקטרוליט טרי במגע עם פני השטח של האלקטרודה. הזרימה הנוצרת עקב קוויטציה מרחיקה תוצרי אלקטרוליזה, כגון גזים או מוצקים, מפני השטח של האלקטרודה. כך נמנעת היווצרותן המעכבת של שכבות מבודדות.

השפעות האולטרסאונד על פוטנציאל הפירוק

הנעה אולטרסונית של האנודה, של הקתודה או של שתי האלקטרודות עשויה להשפיע על פוטנציאל הפירוק או על מתח הפירוק. ידוע שקוויטציה לבדה מפרקת מולקולות ומייצרת רדיקלים חופשיים או אוזון. השילוב של קוויטציה עם אלקטרוליזה בתהליך אלקטרוליזה משופר באמצעות אולטרסאונד עשוי להשפיע על המתח המזערי הנדרש בין האנודה לקתודה של תא אלקטרוליטי כדי שתתרחש אלקטרוליזה. ההשפעות המכניות והסונוכימיות של הקוויטציה עשויות גם לשפר את היעילות האנרגטית של האלקטרוליזה.

אולטרסאונד בזיקוק אלקטרוליטי ובהפקה אלקטרוליטית של מתכות

בתהליך הזיקוק האלקטרוליטי, ניתן להפוך משקעים מוצקים של מתכות, כגון נחושת, לתרחיף של חלקיקים מוצקים באלקטרוליט. בהפקה אלקטרוליטית של מתכות, הנקראת גם מיצוי אלקטרוליטי, ניתן להפוך את ההרבדה האלקטרוליטית של מתכות מתוך העפרות שלהן למשקע מוצק. מתכות נפוצות המופקות בהפקה אלקטרוליטית הן עופרת, נחושת, זהב, כסף, אבץ, אלומיניום, כרום, קובלט, מנגן, וכן מתכות נדירות ומתכות אלקליות.
טיפול באולטרסאונד הוא גם אמצעי יעיל לשטיפת עפרות.

טיהור סונו־אלקטרוליטי של נוזלים

טהרו נוזל, למשל תמיסה מימית כגון שפכים, בוצה וכדומה, באמצעות העברת התמיסה דרך השדה החשמלי של שתי אלקטרודות! אלקטרוליזה יכולה לחטא או לטהר תמיסות מימיות. הזנת תמיסת NaCI יחד עם מים דרך האלקטרודות או על פניהן יוצרת Cl2 או CIO2, שיכולים לחמצן זיהומים ולחטא את המים או את התמיסות המימיות. אם המים מכילים כמות מספקת של כלורידים טבעיים, אין צורך בתוספת.
תנודות אולטרסוניות של האלקטרודה יכולות להפוך את שכבת הגבול שבין האלקטרודה למים לדקה ככל האפשר. הדבר יכול לשפר את מעבר המסה בסדרי גודל רבים. התנודות האולטרסוניות והקוויטציה מפחיתות במידה ניכרת את היווצרותן של בועות מיקרוסקופיות עקב קיטוב. השימוש באלקטרודות אולטרסוניות לאלקטרוליזה משפר במידה ניכרת את תהליך הטיהור האלקטרוליטי.

סונו-אלקטרוקואגולציה (אלקטרוקואגולציה אולטרסונית)

אלקטרוקואגולציה היא שיטה לטיפול בשפכים להסרת מזהמים, כגון שמן מתחלב, כלל פחמימני הנפט, חומרים אורגניים קשי פירוק, מוצקים מרחפים ומתכות כבדות. ניתן להסיר גם יונים רדיואקטיביים לצורך טיהור מים. להוספת סוניקציה לאלקטרוקואגולציה, המכונה גם סונו-אלקטרוקואגולציה, יש השפעה חיובית על דרישת החמצן הכימית או על יעילות הסרת העכירות. תהליכי הטיפול המשולבים באלקטרוקואגולציה הראו ביצועים משופרים במידה רבה בהסרת מזהמים משפכים תעשייתיים. שילוב של שלב המייצר רדיקלים חופשיים, כגון קוויטציה אולטרסונית, עם אלקטרוקואגולציה מפגין סינרגיה ושיפורים בתהליך הניקוי הכולל. מטרת השימוש במערכות היברידיות אולטרסוניות-אלקטרוליטיות אלה היא להגדיל את יעילות הטיפול הכוללת ולבטל את החסרונות של תהליכי טיפול קונבנציונליים. הוכח כי כורים היברידיים המשלבים אולטרסאונד ואלקטרוקואגולציה משביתים חיידקי Escherichia coli במים.

UIP2000hdT אולטרסוני (2000 watts, 20kHz) כסונו-קתודה ו/או כסונו-אנודה במכל

יצירה סונו-אלקטרוליטית של ריאגנטים או מגיבים באתר התהליך

תהליכים כימיים רבים, כגון תגובות הטרוגניות או קטליזה, מפיקים תועלת מערבול אולטרסוני ומקוויטציה אולטרסונית. ההשפעה הסונוכימית יכולה להגביר את מהירות התגובה או לשפר את נצילויות ההמרה.
אלקטרודות הנתונות לתנודות אולטרסוניות מוסיפות כלי רב-עוצמה חדש לתגובות כימיות. כעת תוכלו לשלב את יתרונות הסונוכימיה עם אלקטרוליזה. ייצרו מימן, יוני הידרוקסיד, היפוכלוריט ויונים או חומרים ניטרליים רבים אחרים ישירות בשדה הקוויטציה האולטרסונית. תוצרי האלקטרוליזה יכולים לשמש כריאגנטים או כמגיבים בתגובה הכימית.

שילוב אולטרסאונד עם שדה חשמלי פועם

לשילוב של שדה חשמלי פועם (PEF) ואולטרסאונד (US) יש השפעות חיוביות על מיצוי תרכובות פיזיקוכימיות וביו-אקטיביות ועל המבנה הכימי של המיצויים. במיצוי שקדים, טיפול משולב (PEF–US) הניב את הרמות הגבוהות ביותר של כלל התרכובות הפנוליות, כלל הפלבונואידים, טאנינים מעובים, תכולת האנתוציאנינים והפעילות נוגדת החמצון. הוא הפחית את העוצמה ואת פעילות הקלאציה של מתכות.
ניתן להשתמש באולטרסאונד (US) ובשדה חשמלי פועם (PEF) להגברת יעילות התהליך וקצבי הייצור בתהליכי תסיסה באמצעות שיפור מעבר המסה וחדירות התאים.
לשילוב של טיפול בשדה חשמלי פועם ואולטרסאונד יש השפעה על קינטיקת הייבוש באוויר ועל איכותם של ירקות מיובשים, כגון גזר. ניתן לקצר את זמן הייבוש ב-20 עד 40%, תוך שמירה על תכונות הספיחה מחדש של מים.

סונו-אלקטרוכימיה / אלקטרוכימיה אולטרסונית

שלבו אלקטרוליזה המוגברת באמצעות אולטרסאונד כדי לייצר מגיבים או לצרוך תוצרים של תגובות כימיות, במטרה להסיט את שיווי המשקל הסופי של התגובה הכימית או לשנות את מסלול התגובה הכימית.

מערך מומלץ של אלקטרודות אולטרסוניות

התכנון החדשני של מכשירים אולטרסוניים מסוג גשוש הופך סונוטרודה אולטרסונית סטנדרטית לאלקטרודה הרוטטת בתדירות אולטרסונית. כך השימוש באולטרסאונד לאלקטרודות נעשה נגיש יותר, קל יותר לשילוב וניתן להגדלה בקלות להיקפי ייצור. בתכנונים אחרים הונע רק האלקטרוליט שבין שתי אלקטרודות שלא הונעו. הצללה ודפוסי ההתפשטות של גלי האולטרסאונד מניבים תוצאות נחותות בהשוואה להנעה ישירה של האלקטרודה. ניתן להוסיף רטט אולטרסוני לאנודות או לקתודות, בהתאמה. כמובן, ניתן לשנות את המתח ואת קוטביות האלקטרודות בכל עת. קל להתקין אלקטרודות של Hielscher Ultrasonics במערכים קיימים.

תא סונו־אלקטרוליטי אטום וריאקטורים אלקטרוכימיים

ניתן לקבל אטם העמיד בלחץ בין הסונוטרודה האולטרסונית (האלקטרודה) לבין מכל הריאקטור. לכן ניתן להפעיל את התא האלקטרוליטי בלחץ השונה מלחץ הסביבה. השילוב של אולטרסאונד עם לחץ נקרא מנו־סוניקציה. שילוב זה עשוי להיות רלוונטי אם האלקטרוליזה מייצרת גזים, בעת עבודה בטמפרטורות גבוהות יותר או בעת עבודה עם רכיבי נוזל נדיפים. ריאקטור אלקטרוכימי אטום היטב יכול לפעול בלחצים גבוהים או נמוכים מלחץ הסביבה. האטם שבין האלקטרודה האולטרסונית לריאקטור יכול להיות מוליך חשמל או מבודד חשמלית. האפשרות האחרונה מאפשרת להשתמש בדפנות הריאקטור כאלקטרודה שנייה. כמובן, הריאקטור יכול לכלול פתחי כניסה ויציאה כדי לשמש כריאקטור תא זרימה לתהליכים רציפים. Hielscher Ultrasonics מציעה מגוון ריאקטורים תקניים ותאי זרימה בעלי מעטפת. לחלופין, ניתן לבחור מתוך מגוון מתאמים כדי להתאים סונוטרודות של Hielscher לריאקטור האלקטרוכימי שלכם.

סידור קונצנטרי בריאקטור צינורי

אם האלקטרודה המונעת באמצעות אולטרסאונד נמצאת בקרבת אלקטרודה שנייה שאינה מונעת או בקרבת דופן הריאקטור, גלי האולטרסאונד מתפשטים בנוזל ופועלים גם על המשטחים האחרים. אלקטרודה המונעת באמצעות אולטרסאונד וממוקמת באופן קונצנטרי בצינור או בריאקטור יכולה לשמור על הדפנות הפנימיות נקיות מהצטברות משקעים או מוצקים.

טמפרטורה

בעת שימוש בסונוטרודות סטנדרטיות של Hielscher כאלקטרודות, טמפרטורת האלקטרוליט יכולה להיות בין 0 ל־80 מעלות צלזיוס. סונוטרודות לטמפרטורות אלקטרוליט אחרות בטווח שבין -273 מעלות צלזיוס ל־500 מעלות צלזיוס זמינות לפי בקשה. השילוב של אולטרסאונד עם טמפרטורה נקרא תרמו־סוניקציה.

צמיגות

אם צמיגות האלקטרוליט מעכבת מעבר מסה, ערבוב באמצעות הנעה אולטרסונית במהלך האלקטרוליזה עשוי להועיל, שכן הוא משפר את מעבר החומר אל האלקטרודות ומהן.

סונו־אלקטרוליזה בזרם פועם

זרם פועם באלקטרודות המונעות באמצעות אולטרסאונד מניב תוצרים שונים מאלה המתקבלים בזרם ישר (DC). לדוגמה, זרם פועם יכול להגדיל את היחס בין האוזון לחמצן הנוצרים באנודה במהלך אלקטרוליזה של תמיסה מימית חומצית, כגון חומצה גופרתית מדוללת. אלקטרוליזה של אתנול בזרם פולסי מייצרת אלדהיד במקום בעיקר חומצה.

ציוד לאלקטרו־סוניקציה

Hielscher Ultrasonics פיתחה שדרוג סונואלקטרוכימי מיוחד למתמרים התעשייתיים. המתמר המשודרג פועל עם כמעט כל סוגי הסונוטרודות של Hielscher.

אלקטרודות אולטרסוניות (סונוטרודות)

הסונוטרודות מבודדות חשמלית מהמחולל האולטרסוני. לכן ניתן לחבר את הסונוטרודה האולטרסונית למתח חשמלי, כך שתוכל לשמש כאלקטרודה. מרווח הבידוד החשמלי הסטנדרטי בין הסונוטרודות למגע ההארקה הוא 2.5 mm. לכן ניתן להחיל על הסונוטרודה מתח של עד 2500 volts. סונוטרודות סטנדרטיות הן מלאות ועשויות מטיטניום. לכן כמעט שאין הגבלה על הזרם באלקטרודה. טיטניום מפגין עמידות טובה בפני קורוזיה באלקטרוליטים בסיסיים או חומציים רבים. ניתן להשתמש בחומרים חלופיים לסונוטרודות, כגון אלומיניום (Al), פלדה (Fe), פלדת אל-חלד, ניקל-כרום-מוליבדן או ניוביום. Hielscher מציעה סונוטרודות חסכוניות המשמשות כאנודות הקרבה, למשל מאלומיניום או מפלדה.

מחולל אולטרסוני, ספק כוח

המחולל האולטרסוני אינו דורש כל שינוי ומשתמש בשקע חשמל סטנדרטי עם הארקה. קרן המתמר וכל המשטחים החיצוניים של המתמר ושל המחולל מחוברים, כמובן, להארקה של שקע החשמל. הסונוטרודה ואלמנט חיזוק הם החלקים היחידים המחוברים למתח האלקטרודה. הדבר מקל על תכנון המערך. ניתן לחבר את הסונוטרודה לזרם ישר (DC), לזרם ישר פועם או לזרם חילופין (AC). ניתן להפעיל אלקטרודות אולטרסוניות כאנודות או כקתודות, בהתאם לצורך.

ציוד ייצור לתהליכי אלקטרו-סוניקציה

ניתן להשתמש בכל מכשיר אולטרסוני של Hielscher, כגון UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT או UIP4000hdT, כדי לצמד הספק אולטרסוני של עד 4000 ואט לכל סונוטרודה סטנדרטית או cascatrode. העוצמה האולטרסונית על פני הסונוטרודה יכולה לנוע בין 1 ואט ל-100 ואט ואט לסנטימטר רבוע. זמינות סונוטרודות בגאומטריות שונות עם אמפליטודות מ-1 מיקרון עד 150 מיקרון (משיא לשיא). התדר האולטרסוני של 20kHz יעיל מאוד ביצירת קוויטציה וזרימה אקוסטית באלקטרוליט. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher יכולים לפעול 24 שעות ביממה, שבעה ימים בשבוע. ניתן להפעילם ברציפות בהספק מלא או בפעימות, למשל לצורך ניקוי תקופתי של האלקטרודות. Hielscher Ultrasonics יכולה לספק אלקטרודות אולטרסוניות עם הספק אולטרסוני של עד 16 קילוואט (הנעה מכנית) לכל אלקטרודה בודדת. כמעט שאין הגבלה על ההספק החשמלי שניתן לחבר לאלקטרודות.

ועוד דבר אחד: ריסוס סונו-אלקטרוסטטי

Hielscher Ultrasonics מייצרת ציוד לריסוס, לערפול, לאטומיזציה או להפיכת נוזלים לאירוסולים. הסונוטרודה לריסוס אולטרסוני יכולה להקנות מטען חיובי לערפל הנוזל או לאירוסולים. כך משולב ריסוס אולטרסוני עם טכנולוגיית ריסוס אלקטרוסטטי, למשל לתהליכי ציפוי.

ספרות / מקורות

• Hielscher, Th. (2026): Electrodes and Inline Reactors: How Sono-Electrochemistry Improves Efficiency. Poster Presentation at GDCh Electrochemistry 22.09.2026 – 25.09.2026, Bayreuth/Germany
• Bruno G. Pollet; Faranak Foroughi; Alaa Y. Faid; David R. Emberson; Md.H. Islam (2020): Does power ultrasound (26 kHz) affect the hydrogen evolution reaction (HER) on Pt polycrystalline electrode in a mild acidic electrolyte? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 69, December 2020.
• Md H. Islam; Odne S. Burheim; Bruno G.Pollet (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 51, March 2019. 533-555.
• Jayaraman Theerthagiri; Jagannathan Madhavan; Seung Jun Lee; Myong Yong Choi; Muthupandian Ashokkumar; Bruno G. Pollet (2020): Sonoelectrochemistry for energy and environmental applications. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 63, 2020.
• Bruno G. Pollet (2019): Does power ultrasound affect heterogeneous electron transfer kinetics? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 6-12.
• Md Hujjatul Islam; Michael T.Y. Paul; Odne S. Burheim; Bruno G. Pollet (2019): Recent developments in the sonoelectrochemical synthesis of nanomaterials. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 59, 2019.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
• M.D. Esclapez, V. Sáez, D. Milán-Yáñez, I. Tudela, O. Louisnard, J. González-García (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 6, 2010. 1010-1020.
• L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.