Elektrosonikacija – ultrazvučne elektrode

Elektrosonikacija je kombinacija učinaka električne energije s učincima sonikacije. Hielscher Ultrasonics razvio je novu i elegantnu metodu kojom se bilo koja sonotroda može upotrebljavati kao elektroda. Time se snaga ultrazvuka dovodi izravno na međupovršinu između ultrazvučne elektrode i tekućine. Ondje može potaknuti elektrolizu, poboljšati prijenos tvari te razbiti granične slojeve ili naslage. Hielscher isporučuje opremu proizvodne kvalitete za postupke elektrosonikacije u šaržnim i linijskim procesima u bilo kojem mjerilu. Elektrosonikaciju možete kombinirati s manosonikacijom (tlak) i termosonikacijom (temperatura).

Primjene ultrazvučnih elektroda

Primjena ultrazvuka na elektrode nova je tehnologija koja donosi prednosti mnogim različitim procesima u elektrolizi, galvanizaciji, elektrokemijskom pročišćavanju, proizvodnji vodika i elektrokoagulaciji, sintezi čestica ili drugim elektrokemijskim reakcijama. Hielscher Ultrasonics ima ultrazvučne elektrode odmah dostupne za istraživanje i razvoj u laboratorijskom mjerilu ili za elektrolizu u pilot-mjerilu. Nakon što ispitate i optimizirate svoj elektrolitički proces, možete upotrijebiti ultrazvučnu opremu Hielscher Ultrasonics proizvodnih dimenzija kako biste rezultate svojeg procesa prenijeli na razinu industrijske proizvodnje. U nastavku ćete pronaći prijedloge i preporuke za uporabu ultrazvučnih elektroda.

Sonoelektroliza (ultrazvučna elektroliza)

Elektroliza je međusobna pretvorba atoma i iona oduzimanjem ili dodavanjem elektrona uslijed primjene električne struje. Produkti elektrolize mogu imati drukčije agregatno stanje od elektrolita. Elektrolizom mogu nastati krute tvari, poput taloga ili čvrstih slojeva na bilo kojoj od elektroda. Elektrolizom također mogu nastati plinovi, poput vodika, klora ili kisika. Ultrazvučno pobuđivanje elektrode može odvojiti čvrste naslage s površine elektrode. Ultrazvučno otplinjavanje brzo stvara veće mjehuriće plina iz otopljenih plinova mikromjehurića. To dovodi do bržeg odvajanja plinovitih produkata od elektrolita.

Ultrazvučni UIP2000hdT (2000 vata, 20kHz) kao katoda i/ili anoda u elektrolitičkoj ćeliji

Ultrazvučno poboljšan prijenos tvari na površini elektrode

Tijekom elektrolize produkti se nakupljaju u blizini elektroda ili na površini elektrode. Ultrazvučno pobuđivanje vrlo je učinkovito sredstvo za povećanje prijenosa tvari u graničnim slojevima. Taj učinak dovodi svježi elektrolit u dodir s površinom elektrode. Kavitacijsko strujanje odnosi produkte elektrolize, poput plinova ili krutih tvari, s površine elektrode. Time se sprječava stvaranje izolacijskih slojeva koji ometaju proces.

Učinci ultrazvuka na potencijal razlaganja

Ultrazvučno pobuđivanje anode, katode ili obiju elektroda može utjecati na potencijal razlaganja ili napon razlaganja. Poznato je da sama kavitacija razgrađuje molekule te stvara slobodne radikale ili ozon. Kombinacija kavitacije s elektrolizom u ultrazvučno potpomognutoj elektrolizi može utjecati na najmanji potrebni napon između anode i katode elektrolitičke ćelije pri kojem dolazi do elektrolize. Mehanički i sonokemijski učinci kavitacije također mogu poboljšati energetsku učinkovitost elektrolize.

Ultrazvuk u elektrorafinaciji i elektrolitičkom dobivanju metala

U procesu elektrorafinacije čvrste naslage metala, poput bakra, mogu se pretvoriti u suspenziju čvrstih čestica u elektrolitu. Pri elektrolitičkom dobivanju metala, koje se naziva i elektroekstrakcijom, elektrotaloženje metala iz njihovih ruda može se pretvoriti u čvrsti talog. Metali koji se uobičajeno dobivaju elektrolitičkim putem jesu olovo, bakar, zlato, srebro, cink, aluminij, krom, kobalt, mangan te metali rijetkih zemalja i alkalijski metali.
Ultrazvučna obrada učinkovito je sredstvo i za izluživanje ruda.

Sonoelektrolitičko pročišćavanje tekućina

Pročistite tekućinu, primjerice vodenu otopinu poput otpadne vode, mulja ili sličnog, provođenjem otopine kroz električno polje dviju elektroda! Elektrolizom se vodene otopine mogu dezinficirati ili pročistiti. Provođenjem otopine NaCI zajedno s vodom kroz elektrode ili preko elektroda nastaje Cl2 ili CIO2, koji mogu oksidirati nečistoće i dezinficirati vodu ili vodene otopine. Ako voda sadrži dovoljno prirodnih klorida, dodavanje nije potrebno.
Ultrazvučne vibracije elektrode mogu učiniti granični sloj između elektrode i vode što tanjim. Time se prijenos mase može poboljšati za mnogo redova veličine. Ultrazvučne vibracije i kavitacija znatno smanjuju nastajanje mikroskopskih mjehurića uslijed polarizacije. Primjena ultrazvučnih elektroda za elektrolizu znatno poboljšava postupak elektrolitičkog pročišćavanja.

Sonoelektrokoagulacija (ultrazvučna elektrokoagulacija)

Elektrokoagulacija je metoda obrade otpadnih voda za uklanjanje onečišćujućih tvari, poput emulgiranog ulja, ukupnih naftnih ugljikovodika, teško razgradivih organskih tvari, suspendiranih krutih tvari i teških metala. Također se mogu uklanjati radioaktivni ioni radi pročišćavanja vode. Dodavanje ultrazvučne obrade elektrokoagulaciji, poznato i kao sonoelektrokoagulacija, pozitivno utječe na kemijsku potrošnju kisika ili učinkovitost uklanjanja mutnoće. Kombinirani postupci obrade koji uključuju elektrokoagulaciju pokazali su znatno poboljšanu učinkovitost uklanjanja onečišćujućih tvari iz industrijskih otpadnih voda. Integracija koraka u kojem nastaju slobodni radikali, poput ultrazvučne kavitacije, s elektrokoagulacijom pokazuje sinergiju i poboljšanja cjelokupnog postupka pročišćavanja. Svrha primjene tih hibridnih ultrazvučno-elektrolitičkih sustava jest povećati ukupnu učinkovitost obrade i ukloniti nedostatke konvencionalnih postupaka obrade. Dokazano je da hibridni ultrazvučno-elektrokoagulacijski reaktori inaktiviraju bakteriju Escherichia coli u vodi.

Ultrazvučni UIP2000hdT (2000 vata, 20kHz) kao sonokatoda i/ili sonoanoda u spremniku

Sonoelektrolitičko stvaranje reagensa ili reaktanata in situ

Mnogi kemijski procesi, poput heterogenih reakcija ili katalize, imaju koristi od ultrazvučnog miješanja i ultrazvučne kavitacije. Sonokemijski utjecaj može povećati brzinu reakcije ili poboljšati prinose pretvorbe.
Ultrazvučno pobuđivane elektrode donose nov, snažan alat za kemijske reakcije. Sada možete kombinirati prednosti sonokemije s elektrolizom. Proizvodite vodik, hidroksidne ione, hipoklorit i mnoge druge ione ili neutralne tvari izravno u polju ultrazvučne kavitacije. Produkti elektrolize mogu djelovati kao reagensi ili reaktanti u kemijskoj reakciji.

Kombinacija ultrazvuka s pulsirajućim električnim poljem

Kombinacija pulsirajućeg električnog polja (PEF) i ultrazvuka (US) pozitivno utječe na ekstrakciju fizikalno-kemijskih, bioaktivnih spojeva i kemijsku strukturu ekstrakata. Pri ekstrakciji badema kombinirana obrada (PEF–US) dala je najviše razine ukupnih fenolnih spojeva, ukupnih flavonoida, kondenziranih tanina, sadržaja antocijana i antioksidacijske aktivnosti. Smanjila je snagu i aktivnost keliranja metala.
Ultrazvuk (US) i pulsirajuće električno polje (PEF) mogu se primijeniti za povećanje učinkovitosti procesa i brzine proizvodnje u fermentacijskim procesima poboljšanjem prijenosa mase i propusnosti stanica.
Kombinacija obrade pulsirajućim električnim poljem i ultrazvukom utječe na kinetiku sušenja zrakom i kvalitetu sušenog povrća, poput mrkve. Vrijeme sušenja može se skratiti za 20 do 40%, uz očuvanje svojstava rehidracije.

Sonoelektrokemija / ultrazvučna elektrokemija

Uvedite ultrazvučno potpomognutu elektrolizu za proizvodnju reaktanata ili trošenje produkata kemijskih reakcija kako biste pomaknuli konačnu ravnotežu kemijske reakcije ili promijenili reakcijski put.

Predloženi postav ultrazvučnih elektroda

Inovativni dizajn ultrazvučnih uređaja sa sondom pretvara standardnu ultrazvučnu sonotrodu u elektrodu koja ultrazvučno vibrira. Time ultrazvuk za elektrode postaje dostupniji, jednostavniji za integraciju i lako skalabilan do proizvodnih razmjera. Drugi su dizajni pobuđivali samo elektrolit između dviju nepobuđenih elektroda. Zasjenjenje i obrasci širenja ultrazvučnih valova daju slabije rezultate u usporedbi s izravnim pobuđivanjem elektrode. Ultrazvučne vibracije možete primijeniti na anode odnosno katode. Naravno, napon i polaritet elektroda možete promijeniti u bilo kojem trenutku. Elektrode Hielscher Ultrasonics lako se naknadno ugrađuju u postojeće postave.

Zabrtvljena sonoelektrolitička ćelija i elektrokemijski reaktori

Dostupna je tlačno nepropusna brtva između ultrazvučne sonotrode (elektrode) i reaktorske posude. Stoga elektrolitička ćelija može raditi pri tlaku različitom od okolnog. Kombinacija ultrazvuka i tlaka naziva se manosonikacija. To može biti zanimljivo ako se elektrolizom proizvode plinovi, pri radu na višim temperaturama ili pri radu s hlapljivim tekućim komponentama. Čvrsto zabrtvljen elektrokemijski reaktor može raditi pri tlakovima višim ili nižim od okolnog tlaka. Brtva između ultrazvučne elektrode i reaktora može biti električki vodljiva ili izolacijska. Potonja omogućuje uporabu stijenki reaktora kao druge elektrode. Naravno, reaktor može imati ulazne i izlazne priključke kako bi služio kao reaktor s protočnom ćelijom za kontinuirane procese. Hielscher Ultrasonics nudi razne standardizirane reaktore i protočne ćelije s plaštem. Alternativno, možete odabrati neki od adaptera za ugradnju sonotroda Hielscher u svoj elektrokemijski reaktor.

Koncentrični raspored u cijevnom reaktoru

Ako se ultrazvučno pobuđena elektroda nalazi blizu druge, nepobuđene elektrode ili blizu stijenke reaktora, ultrazvučni se valovi šire kroz tekućinu i djeluju i na ostale površine. Ultrazvučno pobuđena elektroda koja je koncentrično postavljena u cijevi ili reaktoru može održavati unutarnje stijenke bez naslaga ili nakupljenih krutih tvari.

Temperatura

Pri uporabi standardnih sonotroda Hielscher kao elektroda temperatura elektrolita može biti između 0 i 80 stupnjeva Celzija. Sonotrode za druge temperature elektrolita u rasponu od -273 stupnja Celzija do 500 stupnjeva Celzija dostupne su na zahtjev. Kombinacija ultrazvuka i temperature naziva se termosonikacija.

Viskoznost

Ako viskoznost elektrolita otežava prijenos tvari, miješanje ultrazvučnim pobuđivanjem tijekom elektrolize moglo bi biti korisno jer poboljšava prijenos tvari prema elektrodama i od njih.

Sonoelektroliza s pulsirajućom strujom

Pulsirajuća struja na ultrazvučno pobuđenim elektrodama daje drukčije produkte od istosmjerne struje (DC). Primjerice, pulsirajuća struja može povećati omjer ozona i kisika proizvedenih na anodi pri elektrolizi vodene kisele otopine, npr. razrijeđene sumporne kiseline. Elektrolizom etanola s impulsnom strujom nastaje aldehid umjesto pretežno kiseline.

Oprema za elektrosonikaciju

Hielscher Ultrasonics razvio je posebnu sonoelektrokemijsku nadogradnju za industrijske pretvornike. Nadograđeni pretvornik radi s gotovo svim vrstama sonotroda Hielscher.

Ultrazvučne elektrode (sonotrode)

Sonotrode su električki izolirane od ultrazvučnog generatora. Stoga ultrazvučnu sonotrodu možete priključiti na električni napon kako bi mogla djelovati kao elektroda. Standardni električni izolacijski razmak između sonotroda i kontakta uzemljenja iznosi 2,5 mm. Stoga biste na sonotrodu mogli dovesti napon do 2500 volti. Standardne sonotrode pune su i izrađene od titana. Stoga gotovo da nema ograničenja struje elektrode. Titan pokazuje dobru otpornost na koroziju u mnogim lužnatim ili kiselim elektrolitima. Mogući su i drugi materijali sonotroda, kao što su aluminij (Al), čelik (Fe), nehrđajući čelik, nikal-krom-molibden ili niobij. Hielscher nudi isplative sonotrode koje služe kao žrtvene anode, npr. izrađene od aluminija ili čelika.

Ultrazvučni generator, napajanje

Ultrazvučni generator ne zahtijeva nikakve preinake i koristi standardnu električnu utičnicu s uzemljenjem. Akustični rog pretvornika i sve vanjske površine pretvornika i generatora, naravno, spojeni su na uzemljenje električne utičnice. Sonotroda i potporni element jedini su dijelovi spojeni na napon elektrode. To olakšava projektiranje sustava. Sonotrodu možete priključiti na istosmjernu struju (DC), pulsirajuću istosmjernu struju ili izmjeničnu struju (AC). Ultrazvučne elektrode mogu se upotrebljavati kao anode odnosno katode.

Proizvodna oprema za procese elektrosonikacije

Možete upotrijebiti bilo koji Hielscher ultrazvučni uređaj, kao što su UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT ili UIP4000hdT, za prijenos do 4000 vata ultrazvučne snage na bilo koju standardnu sonotrodu ili cascatrode. Površinski intenzitet ultrazvuka na površini sonotrode može biti od 1 vata do 100 vata vat po kvadratnom centimetru. Dostupne su različite geometrije sonotroda s amplitudama od 1 mikrometra do 150 mikrometara (od vrha do vrha). Ultrazvučna frekvencija od 20kHz vrlo je učinkovita u stvaranju kavitacije i akustičnog strujanja u elektrolitu. Hielscher ultrazvučni uređaji mogu raditi 24 sata dnevno, sedam dana u tjednu. Možete raditi kontinuirano pri punoj izlaznoj snazi ili pulsno, npr. za povremeno čišćenje elektroda. Hielscher Ultrasonics može isporučiti ultrazvučne elektrode s do 16 kilovata ultrazvučne snage (mehaničko miješanje) po pojedinačnoj elektrodi. Gotovo da nema ograničenja električne snage koju možete dovesti na elektrode.

Još nešto: sonoelektrostatsko raspršivanje

Hielscher Ultrasonics proizvodi opremu za raspršivanje, nebulizaciju, atomizaciju ili aerosolizaciju tekućina. Sonotroda za ultrazvučno raspršivanje može tekućoj maglici ili aerosolima dati pozitivan naboj. Time se ultrazvučno raspršivanje kombinira s tehnologijom elektrostatskog raspršivanja, npr. za postupke nanošenja prevlaka.

Literatura / reference

• 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.