סונו-אלקטרוכימיה ויתרונותיה

כאן תוכלו למצוא את כל מה שאתה צריך לדעת על אלקטרוכימיה קולית (sonoelectrochemistry): עקרון עבודה, יישומים, יתרונות וציוד סונו-אלקטרוכימי – כל המידע הרלוונטי על סונואלקטרוכימיה בעמוד אחד.

מדוע החלת אולטרסאונד על אלקטרוכימיה?

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

עקרון העבודה של אולטרסאונד

עבור עיבוד קולי בעל ביצועים גבוהים, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה, בתדר נמוך נוצר על ידי מחולל אולטרסאונד ומועבר באמצעות בדיקה קולית (סונוטרודה) לתוך נוזל. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה נחשב אולטרסאונד בטווח של 16-30kHz. בדיקת האולטרסאונד מתרחבת ומתכווצת למשל במהירות של 20kHz, ובכך משדרת בהתאמה 20,000 תנודות בשנייה לתוך התווך. כאשר הגלים העל-קוליים נעים דרך הנוזל, מחזורי לחץ גבוה (דחיסה) / לחץ נמוך לסירוגין (רפרקציה או התפשטות) יוצרים בועות ואקום זעירות או חללים, אשר גדלים על פני מספר מחזורי לחץ. בשלב הדחיסה של הנוזל והבועות, הלחץ הוא חיובי, ואילו שלב הררפקציה מייצר ואקום (לחץ שלילי). במהלך מחזורי הדחיסה-התפשטות, החללים בנוזל גדלים עד שהם מגיעים לגודל, שבו הם לא יכולים לספוג יותר אנרגיה. בשלב זה הם מתפוצצים באלימות. קריסתם של חללים אלה גורמת להשפעות אנרגטיות שונות, הידועות כתופעת הקוויטציה האקוסטית / האולטראסונית. קוויטציה אקוסטית מאופיינת בהשפעות אנרגטיות רבות, המשפיעות על נוזלים, מערכות מוצקות/נוזליות וכן מערכות גז/נוזל. האזור צפוף האנרגיה או אזור cavitational ידוע בשם מה שנקרא אזור נקודה חמה, אשר צפוף ביותר אנרגיה בסביבה הקרובה של הגשושית קולי ויורד עם הגדלת המרחק מן sonotrode. המאפיינים העיקריים של קוויטציה קולית כוללים טמפרטורות ולחצים גבוהים מאוד המתרחשים באופן מקומי ודיפרנציאלים בהתאמה, מערבולות וזרם נוזלי. במהלך קריסה של חללים על-קוליים בנקודות חמות על-קוליות, ניתן למדוד טמפרטורות של עד 5000 קלווין, לחצים של עד 200 אטמוספרות וסילונים נוזליים במהירות של עד 1000 קמ"ש. תנאים עתירי אנרגיה יוצאי דופן אלה תורמים להשפעות סונומכניות וסונוכימיות המעצימות מערכות אלקטרוכימיות בדרכים שונות.

ההשפעות של אולטרסאונד על מערכות אלקטרוכימיות

היישום של ultrasonication לתגובות אלקטרוכימיות ידוע השפעות שונות על האלקטרודות, כלומר אנודה וקתודה, כמו גם את הפתרון האלקטרוליטי. קוויטציה על-קולית וזרימה אקוסטית יוצרים מיקרו-תנועה משמעותית, הפוגעת בסילונים נוזליים ותסיסה לתוך נוזל התגובה. התוצאה היא הידרודינמיקה משופרת ותנועה של תערובת נוזלית/מוצקה. קוויטציה קולית מפחיתה את העובי האפקטיבי של שכבת הדיפוזיה באלקטרודה. שכבת דיפוזיה מופחתת פירושה שסוניקציה ממזערת את הפרש הריכוז, כלומר התכנסות הריכוז בקרבת אלקטרודה וערך הריכוז בתמיסת הצובר מקודמים באולטרסאונד. ההשפעה של תסיסה קולית על שיפועי הריכוז במהלך התגובה מבטיחה הזנה קבועה של תמיסה טרייה לאלקטרודה וקארטינג של חומר מגיב. משמעות הדבר היא שסוניקציה שיפרה את הקינטיקה הכוללת, האיצה את קצב התגובה והגדילה את תפוקת התגובה.
על ידי הכנסת אנרגיה קולית לתוך המערכת, כמו גם היווצרות סונוכימית של רדיקלים חופשיים, תגובה אלקטרוכימית, אשר אחרת היה אלקטרו-לא פעיל, ניתן להתחיל. 
השפעה חשובה נוספת של רטט אקוסטי וזרימה היא אפקט הניקוי על משטחי האלקטרודות. פסיבציה של שכבות וזיוף באלקטרודות מגבילים את היעילות ואת קצב התגובה של תגובות אלקטרוכימיות. אולטרה-סוניקציה שומרת על האלקטרודות נקיות לצמיתות ופעילות באופן מלא לתגובה. אולטרה-סוניקציה ידועה בהשפעותיה לפירוק גזים, אשר מועילות גם בתגובות אלקטרוכימיות. הסרת גזים לא רצויים מן הנוזל, התגובה יכולה להיות יעילה יותר.

יישומים של סונואלקטרוכימיה

סונואלקטרוכימיה יכולה להיות מיושמת בתהליכים שונים ובתעשיות שונות. יישומים נפוצים מאוד של sonoelectrochemistry כוללים את הדברים הבאים:

• סינתזת ננו-חלקיקים (אלקטרוסינתזה)
• סינתזת מימן
• אלקטרוקואגולציה
• טיפול בשפכים
• שבירת תחליבים
• ציפוי אלקטרוליטי / אלקטרודפוזיציה

סינתזה סונו-אלקטרוכימית של ננו-חלקיקים

אולטרסוניקציה יושמה בהצלחה כדי לסנתז ננו-חלקיקים שונים במערכת אלקטרוכימית. מגנטיט, ננו-צינוריות קדמיום-סלניום (CdSe), ננו-חלקיקי פלטינה (NPs), NPs זהב, מגנזיום מתכתי, ביסמוטן, ננו-כסף, נחושת עדינה במיוחד, ננו-חלקיקי סגסוגת טונגסטן-קובלט (W-Co), ננו-חלקיקי נחושת סמוריים/תחמוצת גרפן מופחתת, חלקיקי נחושת תת-1nm פולי (חומצה אקרילית) ואבקות ננומטריות רבות אחרות יוצרו בהצלחה באמצעות סונואלקטרוכימיה.
היתרונות של סינתזת ננו-חלקיקים סונואלקטרוכימיים כוללים את

• הימנעות מחומרים מפחיתים וחומרים פעילי שטח
• שימוש במים כממס
• התאמת גודל הננו-חלקיקים לפי פרמטרים משתנים (הספק אולטראסוני, צפיפות זרם, פוטנציאל שיקוע וזמני פולס אולטראסוני לעומת אלקטרוכימי)

Ashasssi-Sorkhabi and Bagheri (2014) סינתזו יריעות פוליפירול באופן סונואלקטרוכימי והשוו את התוצאות ליריעות פוליפירול מסונתזות אלקטרוכיות. התוצאות מראות כי הסונואלקטרודפוזיציה הגלוונוסטטית יצרה סרט פוליפירול (PPy) דבק וחלק מאוד על פלדה, עם צפיפות זרם של 4 mA cm-2 ב- 0.1 M חומצה אוקסלית / 0.1 M תמיסת פירול. באמצעות פילמור סונואלקטרוכימי, הם השיגו יריעות PPy עמידות גבוהה וקשיחות עם משטח חלק. הוכח כי ציפויי PPy שהוכנו על ידי סונואלקטרוכימיה מספקים הגנה משמעותית מפני קורוזיה לפלדת St-12. הציפוי המסונתז היה אחיד ובעל עמידות גבוהה בפני קורוזיה. את כל התוצאות הללו ניתן לייחס לעובדה שהאולטרסאונד הגביר את העברת המסה של המגיבים וגרם לשיעורי תגובה כימיים גבוהים באמצעות קוויטציה אקוסטית ולטמפרטורות וללחצים הגבוהים כתוצאה מכך. תקפות נתוני העכבה עבור פלדת St-12 / שני ציפויי PPy / ממשק מדיה קורוזיבי נבדקה באמצעות התמרות KK, ונצפו שגיאות ממוצעות נמוכות.

Hass and Gedanken (2008) דיווחו על סינתזה סונו-אלקטרוכימית מוצלחת של ננו-חלקיקי מגנזיום מתכתיים. היעילות בתהליך הסונואלקטרוכימי של מגיב גרינגארד בטטרהידרופורן (THF) או בתמיסת דיבוטילדיגליים הייתה 41.35% ו-33.08%, בהתאמה. הוספת AlCl3 לתמיסת גרינגארד הגדילה את היעילות באופן דרמטי, והעלתה אותה ל-82.70% ו-51.69% ב-THF או בדיבוטילדיגליים, בהתאמה.

ייצור מימן סונו-אלקטרוכימי

אלקטרוליזה המקודמת באולטרסאונד מגדילה באופן משמעותי את תפוקת המימן מתמיסות מים או בסיסיות. לחצו כאן כדי לקרוא עוד על סינתזת מימן אלקטרוליטי מואץ באולטרה-סאונד!

אלקטרוקואגולציה בסיוע אולטרה-סאונד

היישום של אולטרסאונד בתדר נמוך למערכות electrocoagulcation ידוע בשם sono-electrocoagulation. מחקרים מראים כי סוניקציה משפיעה באופן חיובי על אלקטרוקואגולציה וכתוצאה מכך, למשל, ביעילות סילוק גבוהה יותר של הידרוקסידים מברזל משפכים. ההשפעה החיובית של אולטרסאונד על electrocoagulation מוסבר על ידי הפחתת פסיבציה אלקטרודה. אולטרסאונד בתדר נמוך ובעוצמה גבוהה משמיד שכבה מוצקה שהושקעה ומסיר אותה ביעילות, ובכך שומר על פעילות מלאה של האלקטרודות באופן רציף. יתר על כן, אולטרסאונד מפעיל את שני סוגי היונים, כלומר קטיונים ואניונים, הנמצאים באזור התגובה של האלקטרודות. תסיסה על-קולית גורמת למיקרו-תנועה גבוהה של התמיסה המזינה ונושאת חומר גלם ומוצר אל האלקטרודות וממנה.
דוגמאות לתהליכי סונו-אלקטרוקואגולציה מוצלחים הם הפחתת Cr(VI) ל-Cr(III) בשפכי התרופות, סילוק הזרחן הכולל משפכי התעשייה הכימית העדינה עם יעילות סילוק זרחן הייתה 99.5% תוך 10 דקות, סילוק צבע ובקלה מקולחים של תעשיית העיסת והנייר ועוד. יעילות ההסרה המדווחת עבור צבע, COD, Cr(VI), Cu(II) ו-P הייתה 100%, 95%, 100%, 97.3% ו-99.84%, בהתאמה. (ראה: אל-קודה & אלשנאג, 2018)

פירוק סונו-אלקטרוכימי של מזהמים

תגובות חמצון אלקטרוכימיות מקודמות באולטרסאונד ו/או תגובות חיזור מיושמות כשיטה רבת עוצמה לפירוק מזהמים כימיים. מנגנונים סונומכניים וסונוכימיים מקדמים פירוק אלקטרוכימי של מזהמים. קוויטציה הנוצרת באולטרסאונד גורמת לתסיסה אינטנסיבית, מיקרו-ערבוב, העברת מסה והסרת שכבות פסיביות מהאלקטרודות. השפעות קוויטציוניות אלה גורמות בעיקר לשיפור העברת המסה המוצקה-נוזלית בין האלקטרודות לתמיסה. השפעות סונוכימיות משפיעות ישירות על מולקולות. פיצול הומוליטי של מולקולות יוצר מחמצנים תגובתיים מאוד. במדיה מימית ובנוכחות חמצן נוצרים רדיקלים כגון HO•, HO2• ו-O. רדיקלי OH ידועים כחשובים לפירוק יעיל של חומרים אורגניים. בסך הכל, פירוק סונו-אלקטרוכימי מראה יעילות גבוהה ומתאים לטיפול בכמויות גדולות של זרמי שפכים ונוזלים מזוהמים אחרים.
לדוגמה, Lllanos et al. (2016) מצאו כי אפקט סינרגטי משמעותי הושג עבור חיטוי מים כאשר המערכת האלקטרוכימית הוגברה על ידי סוניקציה (חיטוי סונו-אלקטרוכימי). עלייה זו בשיעור החיטוי נמצאה קשורה לדיכוי אגולומרטים של תאי E. coli וכן לייצור מוגבר של מיני חומרי חיטוי. 
Esclapez et al. (2010) הראו כי נעשה שימוש בכור סונואלקטרוכימי שתוכנן במיוחד (אך לא מותאם) במהלך הרחבת פירוק חומצה טריכלורואצטית (TCAA), נוכחות שדה האולטרסאונד שנוצר עם UIP1000hd סיפקה תוצאות טובות יותר (המרה חלקית 97%, יעילות השפלה 26%, סלקטיביות 0.92 ויעילות נוכחית 8%) בעוצמות קוליות נמוכות יותר וזרימה נפחית. בהתחשב בעובדה, כי הכור הסונואלקטרוכימי לפני הטייס עדיין לא היה אופטימלי, סביר מאוד כי תוצאות אלה ניתן לשפר עוד יותר.

וולטמטריה קולית ואלקטרודפוזיציה

האלקטרודפוזיציה בוצעה באופן גלוונוסטטי בצפיפות זרם של 15 mA/cm2. תמיסות היו נתונות אולטרסוניקציה לפני אלקטרודפוזיציה במשך 5-60 דקות. א היילשר אולטרסאונד מסוג בדיקה UP200S היה בשימוש בזמן מחזור של 0.5. אולטרסוניקציה הושגה על ידי טבילה ישירה של בדיקת האולטרסאונד לתוך הפתרון. כדי להעריך את ההשפעה העל-קולית על התמיסה לפני האלקטרודפוזיציה, נעשה שימוש בוולטמטריה מחזורית (CV) על מנת לחשוף התנהגות תמיסה ומאפשרת לחזות תנאים אידיאליים לאלקטרודפוזיציה. הוא ציין כי כאשר הפתרון נתון ultrasonication לפני electrodeposition, התצהיר מתחיל בערכים פוטנציאליים שליליים פחות. משמעות הדבר היא כי באותו זרם בתמיסה נדרש פחות פוטנציאל, כמו המינים בתמיסה מתנהגים פעיל יותר מאשר אלה שאינם קוליים. (ראה: יורדל & Karahan 2017)

בדיקות אלקטרוכימיות בעלות ביצועים גבוהים ו- SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics הוא השותף המנוסה שלך במשך זמן רב עבור מערכות קוליות ביצועים גבוהים. אנו מייצרים ומפיצים גשושיות וכורים על-קוליים חדישים, המשמשים ברחבי העולם ליישומים תובעניים בסביבות תובעניות. עבור sonoelectrochemistry, Hielscher פיתחה בדיקות קוליות מיוחדות, אשר יכול לפעול כמו קתודה ו / או אנודה, כמו גם תאי כור קולי מתאים לתגובות אלקטרוכימיות. אלקטרודות ותאים אולטראסוניים זמינים עבור מערכות גלווניות / וולטאיות כמו גם אלקטרוליטיות.

אמפליטודות ניתנות לשליטה מדויקת לקבלת תוצאות מיטביות

כל המעבדים קוליים Hielscher ניתנים לשליטה מדויקת ובכך סוסי עבודה אמינים R&D וייצור. המשרעת היא אחד הפרמטרים המכריעים בתהליך המשפיעים על היעילות והאפקטיביות של תגובות המושרות סונוכימית וסונומכנית. כל Hielscher Ultrasonics’ מעבדים מאפשרים הגדרה מדויקת של המשרעת. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד ולספק את העוצמה הקולית הנדרשת עבור יישומים סונו-אלקטרוכמיים תובעניים. אמפליטודות של עד 200μm ניתנות להפעלה רציפה בקלות בפעולה 24/7.
הגדרות משרעת מדויקות וניטור קבוע של פרמטרי התהליך העל-קולי באמצעות תוכנה חכמה נותנים לך את האפשרות להשפיע על התגובה הסונואלקטרוכימית במדויק. במהלך כל ריצת סוניקציה, כל הפרמטרים העל-קוליים נרשמים אוטומטית על כרטיס SD מובנה, כך שניתן להעריך ולשלוט בכל ריצה. סוניקציה אופטימלית לתגובות סונואלקטרוכימיות יעילות ביותר!
כל הציוד בנוי לשימוש 24/7/365 תחת עומס מלא והחוסן והאמינות שלו הופכים אותו לסוס העבודה בתהליך האלקטרוכימי שלך. זה עושה את הציוד קולי של Hielscher כלי עבודה אמין הממלא את דרישות התהליך sonoelectrochemical שלך.

האיכות הגבוהה ביותר – עוצב ויוצר בגרמניה

כעסק בבעלות משפחתית ומשפחתית, Hielscher מתעדף את תקני האיכות הגבוהים ביותר עבור המעבדים העל-קוליים שלה. כל האולטרה-סוניקטורים מתוכננים, מיוצרים ונבדקים ביסודיות במטה שלנו בטלטאו ליד ברלין, גרמניה. חוסן ואמינות של ציוד קולי של Hielscher להפוך אותו סוס עבודה הייצור שלך. פעולה 24/7 תחת עומס מלא ובסביבות תובעניות היא מאפיין טבעי של בדיקות קוליות ביצועים גבוהים של Hielscher וכורים.

צרו איתנו קשר עכשיו וספרו לנו על דרישות התהליך האלקטרוכימי שלכם! אנו נמליץ לכם על האלקטרודות האולטראסוניות והכור המתאימים ביותר!