סונואלקטרוכימיה ויתרונותיה

כאן תמצאו את כל מה שצריך לדעת על אלקטרוכימיה אולטרסונית (סונואלקטרוכימיה): עקרון הפעולה, יישומים, יתרונות וציוד סונואלקטרוכימי – כל המידע הרלוונטי על סונואלקטרוכימיה בעמוד אחד.

מדוע להשתמש באולטרסאונד באלקטרוכימיה?

השילוב של גלי אולטרסאונד בתדר נמוך ובעוצמה גבוהה עם מערכות אלקטרוכימיות מציע יתרונות רבים, המשפרים את היעילות ואת שיעור ההמרה של תגובות אלקטרוכימיות.

עקרון הפעולה של אולטרסאונד

לצורך עיבוד אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים, מחולל אולטרסאונד מייצר אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך, המועבר אל נוזל באמצעות גשושית אולטרסונית (סונוטרודה). אולטרסאונד בהספק גבוה נחשב לאולטרסאונד בטווח של 16–30kHz. הגשושית האולטרסונית מתפשטת ומתכווצת, למשל בתדר של 20kHz, וכך מעבירה לתווך 20,000 תנודות בשנייה, בהתאמה. כאשר גלי האולטרסאונד נעים דרך הנוזל, מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה (דחיסה) / לחץ נמוך (הקלשה או התפשטות) יוצרים בועות ריק זעירות או חללים, הגדלים לאורך כמה מחזורי לחץ. במהלך שלב הדחיסה של הנוזל והבועות, הלחץ חיובי, ואילו שלב ההקלשה יוצר ריק (לחץ שלילי). במהלך מחזורי הדחיסה וההתפשטות, החללים בנוזל גדלים עד שהם מגיעים לגודל שבו אינם יכולים לספוג עוד אנרגיה. בשלב זה הם קורסים בעוצמה פנימה. קריסתם של חללים אלה יוצרת השפעות שונות עתירות אנרגיה, הידועות כתופעת הקוויטציה האקוסטית / האולטרסונית. קוויטציה אקוסטית מאופיינת במגוון השפעות עתירות אנרגיה, המשפיעות על נוזלים, על מערכות מוצק/נוזל וכן על מערכות גז/נוזל. האזור בעל צפיפות האנרגיה הגבוהה, או אזור הקוויטציה, מכונה אזור הנקודות החמות. צפיפות האנרגיה בו היא הגבוהה ביותר בסמיכות לגשושית האולטרסונית, והיא פוחתת ככל שהמרחק מהסונוטרודה גדל. המאפיינים העיקריים של קוויטציה אולטרסונית כוללים טמפרטורות ולחצים גבוהים מאוד המופיעים באופן מקומי והפרשי טמפרטורה ולחץ בהתאמה, מערבולות וזרימת נוזל. במהלך קריסת חללי הקוויטציה האולטרסונית בנקודות החמות האולטרסוניות, ניתן למדוד טמפרטורות של עד 5000 קלווין, לחצים של עד 200 אטמוספרות וסילוני נוזל במהירות של עד 1000km/h. תנאים יוצאי דופן אלה, המאופיינים בעוצמה אנרגטית גבוהה, תורמים להשפעות סונומכניות וסונוכימיות המעצימות מערכות אלקטרוכימיות בדרכים שונות.

השפעות האולטרסאונד על מערכות אלקטרוכימיות

יישום סוניקציה בתגובות אלקטרוכימיות מוכר בזכות השפעותיו השונות על האלקטרודות, כלומר האנודה והקתודה, וכן על התמיסה האלקטרוליטית. קוויטציה אולטרסונית וזרימה אקוסטית יוצרות תנועות זעירות משמעותיות, סילוני נוזל הפוגעים במשטחים וערבול בנוזל התגובה. הדבר משפר את ההידרודינמיקה ואת תנועת תערובת הנוזל והמוצק. קוויטציה אולטרסונית מפחיתה את העובי האפקטיבי של שכבת הדיפוזיה באלקטרודה. שכבת דיפוזיה דקה יותר פירושה שסוניקציה מצמצמת את הפרש הריכוזים, כלומר האולטרסאונד מקדם את ההתקרבות בין הריכוז בסביבת האלקטרודה לבין הריכוז בגוף התמיסה. השפעת הערבול האולטרסוני על מפלי הריכוז במהלך התגובה מבטיחה הזנה רציפה של תמיסה טרייה לאלקטרודה והרחקת חומר שכבר הגיב. משמעות הדבר היא שסוניקציה משפרת את הקינטיקה הכוללת, מאיצה את קצב התגובה ומגדילה את נצולת התגובה.
באמצעות החדרת אנרגיה אולטרסונית למערכת וכן יצירה סונוכימית של רדיקלים חופשיים, ניתן ליזום תגובה אלקטרוכימית שאחרת הייתה בלתי פעילה מבחינה אלקטרוכימית. השפעה חשובה נוספת של רטט וזרימה אקוסטיים היא ניקוי משטחי האלקטרודות. שכבות פסיבציה ומשקעים על האלקטרודות מגבילים את היעילות ואת קצב התגובה של תגובות אלקטרוכימיות. סוניקציה שומרת על האלקטרודות נקיות ופעילות לחלוטין לתגובה באופן מתמיד. סוניקציה מוכרת היטב בזכות השפעותיה על סילוק גזים, המועילות גם בתגובות אלקטרוכימיות. סילוק גזים בלתי רצויים מהנוזל מאפשר לתגובה להתנהל ביעילות רבה יותר.

יישומי סונואלקטרוכימיה

ניתן ליישם סונואלקטרוכימיה בתהליכים שונים ובענפי תעשייה שונים. יישומים נפוצים מאוד של סונואלקטרוכימיה כוללים את הבאים:

• סינתזה של ננו-חלקיקים (אלקטרוסינתזה)
• סינתזת מימן
• אלקטרוקואגולציה
• טיפול בשפכים
• שבירת תחליבים
• ציפוי אלקטרוליטי / שיקוע אלקטרוכימי
• חימום אוהמי

סינתזה סונואלקטרוכימית של ננו-חלקיקים

סוניקציה יושמה בהצלחה לסינתזה של ננו-חלקיקים שונים במערכת אלקטרוכימית. מגנטיט, ננו-צינוריות קדמיום–סלניום (CdSe), ננו-חלקיקי פלטינה (NPs), ננו-חלקיקי זהב, מגנזיום מתכתי, ביסמותן, ננו-כסף, נחושת דקה במיוחד, ננו-חלקיקי סגסוגת טונגסטן–קובלט (W–Co), ננו-מרוכב של תחמוצת סמריום ותחמוצת גרפן מחוזרת, ננו-חלקיקי נחושת בגודל קטן מ-1nm המצופים בחומצה פוליאקרילית ואבקות רבות אחרות בגודל ננומטרי יוצרו בהצלחה באמצעות סונואלקטרוכימיה.
היתרונות של סינתזה סונואלקטרוכימית של ננו-חלקיקים כוללים את הבאים:

• הימנעות משימוש בחומרים מחזרים ובחומרים פעילי שטח
• שימוש במים כממס
• התאמת גודל הננו-חלקיקים באמצעות שינוי פרמטרים (הספק אולטרסוני, צפיפות זרם, פוטנציאל שיקוע וזמני הפולסים האולטרסוניים לעומת האלקטרוכימיים)

Ashasssi-Sorkhabi ו-Bagheri (2014) סינתזו שכבות פוליפירול בשיטה סונו-אלקטרוכימית והשוו את התוצאות לשכבות פוליפירול שסונתזו בשיטה אלקטרוכימית. התוצאות מראות ששיקוע סונו-אלקטרוכימי גלוונוסטטי יצר על פלדה שכבת פוליפירול (PPy) חלקה ובעלת היצמדות חזקה, בצפיפות זרם של 4 mA cm–2 בתמיסת חומצה אוקסלית בריכוז 0.1 M ופירול בריכוז 0.1 M. באמצעות פילמור סונו-אלקטרוכימי הם קיבלו שכבות PPy בעלות עמידות גבוהה וקשיחות, עם פני שטח חלקים. הוכח שציפויי PPy שהוכנו בשיטה סונו-אלקטרוכימית מספקים הגנה משמעותית מפני קורוזיה לפלדת St-12. הציפוי שסונתז היה אחיד והפגין עמידות גבוהה בפני קורוזיה. ייתכן שכל התוצאות האלה נובעות מכך שהאולטרסאונד הגביר את מעבר המסה של המגיבים וגרם לקצבי תגובה כימית גבוהים באמצעות קוויטציה אקוסטית והטמפרטורות והלחצים הגבוהים שנוצרו בעקבותיה. תקפות נתוני העכבה עבור הממשק בין פלדת St-12, שני ציפויי PPy והתווך המאכל נבדקה באמצעות התמרות KK, ונצפו שגיאות ממוצעות נמוכות.

Hass ו-Gedanken (2008) דיווחו על סינתזה סונו-אלקטרוכימית מוצלחת של ננו-חלקיקי מגנזיום מתכתי. היעילויות בתהליך הסונו-אלקטרוכימי של ריאגנט Gringard בטטרהידרופוראן (THF) או בתמיסת דיבוטילדיגלים היו 41.35% ו-33.08%, בהתאמה. הוספת AlCl3 לתמיסת Gringard הגבירה את היעילות באופן דרמטי, והעלתה אותה ל-82.70% ול-51.69% ב-THF או בדיבוטילדיגלים, בהתאמה.

ייצור מימן בשיטה סונו-אלקטרוכימית

אלקטרוליזה המוגברת באמצעות אולטרסאונד מגדילה באופן משמעותי את תפוקת המימן ממים או מתמיסות בסיסיות. לחצו כאן לקריאה נוספת על סינתזה אלקטרוליטית של מימן המואצת באמצעות אולטרסאונד!

אלקטרוקואגולציה בסיוע אולטרסאונד

הפעלת אולטרסאונד בתדר נמוך במערכות אלקטרוקואגולציה מכונה סונו-אלקטרוקואגולציה. מחקרים מראים שסוניקציה משפיעה באופן חיובי על אלקטרוקואגולציה ומביאה, למשל, ליעילות גבוהה יותר בהסרת הידרוקסידים של ברזל משפכים. ההשפעה החיובית של האולטרסאונד על אלקטרוקואגולציה מוסברת בהפחתת הפסיבציה של האלקטרודות. אולטרסאונד בתדר נמוך ובעוצמה גבוהה מפרק שכבה מוצקה ששקעה ומסיר אותה ביעילות, וכך שומר על האלקטרודות פעילות לחלוטין באופן רציף. נוסף על כך, האולטרסאונד מפעיל את שני סוגי היונים, כלומר קטיונים ואניונים, הנמצאים באזור התגובה של האלקטרודות. ערבול אולטרסוני יוצר מיקרו-תנועה ניכרת של התמיסה, המזינה חומר גלם אל האלקטרודות ומסיעה מהן את התוצר.
דוגמאות לתהליכי סונו-אלקטרוקואגולציה מוצלחים הן חיזור של Cr(VI) ל-Cr(III) בשפכי תעשיית התרופות, הסרת זרחן כולל מקולחי תעשיית הכימיקלים העדינים ביעילות הסרת זרחן של 99.5% בתוך 10 דקות, הסרת צבע ו-COD מקולחי תעשיית העיסה והנייר ועוד. יעילויות ההסרה שדווחו עבור צבע, COD, Cr(VI), Cu(II) ו-P היו 100%, 95%, 100%, 97.3% ו-99.84%, בהתאמה. (ראו Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

פירוק מזהמים בשיטה סונו-אלקטרוכימית

תגובות חמצון ו/או חיזור אלקטרוכימיות המואצות באמצעות אולטרסאונד משמשות כשיטה רבת עוצמה לפירוק מזהמים כימיים. מנגנונים סונומכניים וסונוכימיים מקדמים את הפירוק האלקטרוכימי של מזהמים. קוויטציה הנוצרת באמצעות אולטרסאונד גורמת לערבול עז, למיקרו־ערבוב, להעברת מסה ולהסרת שכבות פסיבציה מהאלקטרודות. השפעות קוויטציה אלה משפרות בעיקר את העברת המסה בין המוצק לנוזל, בין האלקטרודות לתמיסה. השפעות סונוכימיות פועלות ישירות על מולקולות. ביקוע הומוליטי של מולקולות יוצר מחמצנים בעלי תגובתיות גבוהה. בתווכים מימיים ובנוכחות חמצן נוצרים רדיקלים כגון HO•, HO2• ו־O•. ידוע כי לרדיקלי •OH יש חשיבות בפירוק יעיל של חומרים אורגניים. ככלל, פירוק סונואלקטרוכימי מציג יעילות גבוהה ומתאים לטיפול בנפחים גדולים של זרמי שפכים ונוזלים מזוהמים אחרים.
לדוגמה, Lllanos ועמיתיו (2016) מצאו שהתקבלה השפעה סינרגטית משמעותית בחיטוי מים כאשר פעולת המערכת האלקטרוכימית הוגברה באמצעות סוניקציה (חיטוי סונואלקטרוכימי). נמצא כי עלייה זו בקצב החיטוי קשורה לצמצום צברים של תאי E. coli וכן לייצור מוגבר של צורונים מחטאים. Esclapez ועמיתיו (2010) הראו שכאשר נעשה שימוש בריאקטור סונואלקטרוכימי שתוכנן במיוחד (אך לא עבר אופטימיזציה) במהלך הגדלת קנה המידה של פירוק חומצה טריכלורואצטית (TCAA), נוכחותו של שדה אולטרסוני שנוצר באמצעות UIP1000hd הניבה תוצאות טובות יותר (שיעור המרה 97%, יעילות פירוק 26%, סלקטיביות 0.92 ויעילות זרם 8%) בעוצמות אולטרסוניות נמוכות יותר ובספיקת זרימה נפחית נמוכה יותר. בהתחשב בכך שהריאקטור הסונואלקטרוכימי בקנה מידה קדם־פיילוט טרם עבר אופטימיזציה, סביר מאוד שניתן לשפר תוצאות אלה עוד יותר.

וולטמטריה אולטרסונית ושיקוע אלקטרוכימי

השיקוע האלקטרוכימי בוצע בתנאים גלוונוסטטיים בצפיפות זרם של 15 mA/cm2. התמיסות עברו סוניקציה לפני השיקוע האלקטרוכימי במשך 5–60 דקות. אולטרסוניקטור של Hielscher מסוג גשושית, מדגם UP200S, שימש בזמן מחזור של 0.5. הסוניקציה בוצעה באמצעות טבילה ישירה של הגשושית האולטרסונית בתמיסה. כדי להעריך את השפעת האולטרסאונד על התמיסה לפני השיקוע האלקטרוכימי, נעשה שימוש בוולטמטריה ציקלית (CV) כדי לחשוף את התנהגות התמיסה ולאפשר חיזוי של תנאים אידיאליים לשיקוע אלקטרוכימי. נצפה כי כאשר התמיסה עוברת סוניקציה לפני השיקוע האלקטרוכימי, השיקוע מתחיל בערכי פוטנציאל שליליים פחות. משמעות הדבר היא שבאותו זרם בתמיסה נדרש פוטנציאל נמוך יותר, שכן הצורונים בתמיסה פעילים יותר מאשר בתמיסות שלא עברו סוניקציה. (ראו Yurdal & Karahan 2017)
קראו עוד על שיקוע סונואלקטרוכימי של ציפויים משופרים באמצעות ננו־חומרים!

גשושיות אלקטרוכימיות בעלות ביצועים גבוהים ו־SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics היא השותפה שלכם בעלת הניסיון רב השנים בתחום המערכות האולטרסוניות בעלות הביצועים הגבוהים. אנו מייצרים ומשווקים גשושיות וריאקטורים אולטרסוניים מהמתקדמים ביותר, המשמשים ברחבי העולם ליישומים בעומס כבד בסביבות תובעניות. עבור סונואלקטרוכימיה, Hielscher פיתחה גשושיות אולטרסוניות מיוחדות שיכולות לשמש כקתודה ו/או כאנודה, וכן תאי ריאקטור אולטרסוניים המתאימים לתגובות אלקטרוכימיות. אלקטרודות ותאים אולטרסוניים זמינים למערכות גלווניות / וולטאיות וכן למערכות אלקטרוליטיות.

אמפליטודות הניתנות לבקרה מדויקת להשגת תוצאות מיטביות

כל המעבדים האולטרסוניים של Hielscher ניתנים לשליטה מדויקת, ולכן הם כלי עבודה אמינים במחקר ופיתוח ובייצור. המשרעת היא אחד מפרמטרי התהליך המכריעים המשפיעים על היעילות והאפקטיביות של תגובות המושרות באופן סונוכימי וסונומכני. כל המעבדים של Hielscher Ultrasonics מאפשרים כוונון מדויק של המשרעת. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד ואת העוצמה האולטרסונית הנדרשת ליישומים סונואלקטרוכימיים תובעניים. ניתן לעבוד בקלות וברציפות במשרעות של עד 200µm בהפעלה של 24/7.
כוונון מדויק של המשרעת וניטור מתמיד של פרמטרי התהליך האולטרסוני באמצעות תוכנה חכמה מאפשרים לכם להשפיע במדויק על התגובה הסונואלקטרוכימית. במהלך כל הפעלת סוניקציה, כל הפרמטרים האולטרסוניים נרשמים אוטומטית בכרטיס SD מובנה, כך שניתן להעריך ולבקר כל הפעלה. סוניקציה מיטבית לתגובות סונואלקטרוכימיות ביעילות הגבוהה ביותר!
כל הציוד בנוי לשימוש של 24/7/365 בעומס מלא, ועמידותו ואמינותו הופכות אותו לכלי עבודה מרכזי בתהליך האלקטרוכימי שלכם. בזכות זאת, הציוד האולטרסוני של Hielscher הוא כלי עבודה אמין העונה על דרישות התהליך הסונואלקטרוכימי שלכם.

האיכות הגבוהה ביותר – תוכנן ויוצר בגרמניה

כעסק בבעלות משפחתית ובניהול משפחתי, Hielscher מעניקה עדיפות לתקני האיכות הגבוהים ביותר עבור המעבדים האולטרסוניים שלה. כל המכשירים האולטרסוניים מתוכננים, מיוצרים ונבדקים ביסודיות במטה שלנו בטלטו שליד ברלין, גרמניה. עמידותו ואמינותו של הציוד האולטרסוני של Hielscher הופכות אותו לכלי עבודה מרכזי בייצור שלכם. הפעלה של 24/7 בעומס מלא ובסביבות תובעניות היא מאפיין טבעי של הגשושים והכורים האולטרסוניים עתירי הביצועים של Hielscher.

צרו איתנו קשר עכשיו וספרו לנו על דרישות התהליך האלקטרוכימי שלכם! נמליץ לכם על האלקטרודות האולטרסוניות ועל תצורת הכור המתאימות ביותר!