Sonoelektrokemija i njezine prednosti

Ovdje ćete pronaći sve što trebate znati o ultrazvučnoj elektrokemiji (sonoelektrokemiji): načelo rada, primjene, prednosti i sonoelektrokemijska oprema – sve relevantne informacije o sonoelektrokemiji na jednoj stranici.

Zašto primjenjivati ultrazvuk u elektrokemiji?

Kombinacija ultrazvučnih valova niske frekvencije i visokog intenziteta s elektrokemijskim sustavima donosi brojne prednosti koje poboljšavaju učinkovitost i brzinu pretvorbe elektrokemijskih reakcija.

Načelo rada ultrazvuka

Za visokoučinkovitu ultrazvučnu obradu ultrazvučni generator stvara ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije koji se putem ultrazvučne sonde (sonotrode) prenosi u tekućinu. Ultrazvukom velike snage smatra se ultrazvuk u rasponu od 16–30kHz. Ultrazvučna sonda širi se i skuplja, primjerice pri 20kHz, pri čemu u medij prenosi 20.000 titraja u sekundi. Kada ultrazvučni valovi prolaze kroz tekućinu, izmjenični ciklusi visokog tlaka (kompresije) / niskog tlaka (razrjeđivanja ili ekspanzije) stvaraju sićušne vakuumske mjehuriće ili šupljine koje rastu tijekom nekoliko tlačnih ciklusa. Tijekom faze kompresije tekućine i mjehurića tlak je pozitivan, dok faza razrjeđivanja stvara vakuum (negativan tlak). Tijekom ciklusa kompresije i ekspanzije šupljine u tekućini rastu dok ne dosegnu veličinu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju. U tom trenutku snažno implodiraju. Implozija tih šupljina uzrokuje različite visokoenergetske učinke poznate kao pojava akustične / ultrazvučne kavitacije. Akustičnu kavitaciju karakteriziraju brojni visokoenergetski učinci koji djeluju na tekućine, sustave krutina/tekućina i sustave plin/tekućina. Zona visoke gustoće energije ili kavitacijska zona poznata je kao takozvana zona vrućih točaka, u kojoj je gustoća energije najveća u neposrednoj blizini ultrazvučne sonde te opada s povećanjem udaljenosti od sonotrode. Glavne značajke ultrazvučne kavitacije uključuju lokalnu pojavu vrlo visokih temperatura i tlakova te njihovih razlika, turbulenciju i strujanje tekućine. Tijekom implozije ultrazvučnih šupljina u ultrazvučnim vrućim točkama mogu se izmjeriti temperature do 5000 kelvina, tlakovi do 200 atmosfera i mlazovi tekućine brzine do 1000km/h. Ti iznimni uvjeti visokog energetskog intenziteta pridonose sonomehaničkim i sonokemijskim učincima koji na različite načine intenziviraju elektrokemijske sustave.

Učinci ultrazvuka na elektrokemijske sustave

Primjena ultrazvučne obrade u elektrokemijskim reakcijama poznata je po različitim učincima na elektrode, tj. anodu i katodu, kao i na elektrolitnu otopinu. Ultrazvučna kavitacija i akustičko strujanje stvaraju znatna mikrogibanja, udarne mlazove tekućine i miješanje reakcijske tekućine. Time se poboljšavaju hidrodinamika i gibanje smjese tekućine i krutine. Ultrazvučna kavitacija smanjuje efektivnu debljinu difuzijskog sloja na elektrodi. Smanjeni difuzijski sloj znači da sonikacija smanjuje razliku u koncentraciji, odnosno da ultrazvuk potiče približavanje koncentracije u blizini elektrode vrijednosti koncentracije u glavnini otopine. Utjecaj ultrazvučnog miješanja na koncentracijske gradijente tijekom reakcije osigurava stalan dovod svježe otopine do elektrode i odvođenje izreagiranog materijala. To znači da sonikacija poboljšava ukupnu kinetiku, ubrzava reakciju i povećava njezino iskorištenje.
Unošenjem ultrazvučne energije u sustav te sonokemijskim stvaranjem slobodnih radikala može se pokrenuti elektrokemijska reakcija koja bi inače bila elektrokemijski neaktivna. Još jedan važan učinak akustičkih vibracija i strujanja jest čišćenje površina elektroda. Pasivacijski slojevi i naslage na elektrodama ograničavaju učinkovitost i brzinu elektrokemijskih reakcija. Ultrazvučna obrada održava elektrode trajno čistima i potpuno aktivnima za reakciju. Ultrazvučna obrada dobro je poznata po učincima otplinjavanja, koji su korisni i u elektrokemijskim reakcijama. Uklanjanjem neželjenih plinova iz tekućine reakcija se može odvijati učinkovitije.

Primjene sonoelektrokemije

Sonoelektrokemija se može primjenjivati u različitim procesima i industrijama. Vrlo česte primjene sonoelektrokemije uključuju sljedeće:

• Sinteza nanočestica (elektrosinteza)
• Sinteza vodika
• Elektrokoagulacija
• Pročišćavanje otpadnih voda
• Razbijanje emulzija
• Galvanizacija / elektrotaloženje
• Omsko zagrijavanje

Sonoelektrokemijska sinteza nanočestica

Ultrazvučna obrada uspješno je primijenjena za sintezu različitih nanočestica u elektrokemijskom sustavu. Magnetit, nanocjevčice kadmija i selena (CdSe), nanočestice platine (NPs), NPs zlata, metalni magnezij, bizmuten, nanosrebro, ultrafini bakar, nanočestice slitine volframa i kobalta (W–Co), nanokompozit samarijeva oksida i reduciranog grafenova oksida, nanočestice bakra manje od 1nm obložene poli(akrilnom kiselinom) i mnogi drugi prahovi nanometarske veličine uspješno su proizvedeni primjenom sonoelektrokemije.
Prednosti sonoelektrokemijske sinteze nanočestica uključuju

• izbjegavanje redukcijskih sredstava i površinski aktivnih tvari
• upotrebu vode kao otapala
• prilagodbu veličine nanočestica promjenom parametara (ultrazvučne snage, gustoće struje, potencijala taloženja te trajanja ultrazvučnih u odnosu na elektrokemijske impulse)

Ashasssi-Sorkhabi i Bagheri (2014) sintetizirali su polipirolne filmove sonoelektrokemijskim postupkom i usporedili rezultate s elektrokemijski sintetiziranim polipirolnim filmovima. Rezultati pokazuju da je galvanostatskim sonoelektrotaloženjem dobiven čvrsto prianjajući i gladak polipirolni (PPy) film na čeliku, pri gustoći struje od 4 mA cm–2 u otopini 0,1 M oksalne kiseline/0,1 M pirola. Sonoelektrokemijskom polimerizacijom dobili su žilave PPy filmove visoke otpornosti s glatkom površinom. Pokazalo se da PPy prevlake pripremljene sonoelektrokemijskim postupkom pružaju znatnu zaštitu čelika St-12 od korozije. Sintetizirana prevlaka bila je ujednačena i pokazala je visoku otpornost na koroziju. Svi ti rezultati mogu se pripisati činjenici da je ultrazvuk poboljšao prijenos tvari reaktanata i uzrokovao velike brzine kemijskih reakcija putem akustične kavitacije i posljedičnih visokih temperatura i tlakova. Valjanost impedancijskih podataka za međupovršinu čelik St-12/dvije PPy prevlake/korozivni mediji provjerena je KK transformacijama te su zabilježene male prosječne pogreške.

Hass i Gedanken (2008) izvijestili su o uspješnoj sonoelektrokemijskoj sintezi nanočestica metalnog magnezija. Učinkovitosti sonoelektrokemijskog procesa s Gringardovim reagensom u tetrahidrofuranu (THF) odnosno u otopini dibutildiglima iznosile su 41,35% odnosno 33,08%. Dodavanje AlCl3 Gringardovoj otopini drastično je povećalo učinkovitost, podigavši je na 82,70% u THF-u odnosno 51,69% u dibutildiglimu.

Sonoelektrokemijska proizvodnja vodika

Elektroliza potpomognuta ultrazvukom znatno povećava prinos vodika iz vode ili alkalnih otopina. Kliknite ovdje i pročitajte više o ultrazvučno ubrzanoj elektrolitičkoj sintezi vodika!

Elektrokoagulacija potpomognuta ultrazvukom

Primjena niskofrekventnog ultrazvuka u elektrokoagulacijskim sustavima poznata je kao sonoelektrokoagulacija. Istraživanja pokazuju da sonikacija pozitivno utječe na elektrokoagulaciju, što, primjerice, rezultira većom učinkovitošću uklanjanja željezovih hidroksida iz otpadnih voda. Pozitivan utjecaj ultrazvuka na elektrokoagulaciju objašnjava se smanjenjem pasivacije elektroda. Niskofrekventni ultrazvuk visokog intenziteta razara istaložene čvrste slojeve i učinkovito ih uklanja, čime elektrode neprekidno održava potpuno aktivnima. Nadalje, ultrazvuk aktivira obje vrste iona, odnosno katione i anione, prisutne u reakcijskoj zoni elektroda. Ultrazvučno miješanje uzrokuje snažno mikrogibanje otopine, kojim se sirovine i proizvodi dovode do elektroda i odvode od njih.
Primjeri uspješnih sonoelektrokoagulacijskih procesa uključuju redukciju Cr(VI) u Cr(III) u farmaceutskim otpadnim vodama, uklanjanje ukupnog fosfora iz otpadnih voda industrije finih kemikalija uz učinkovitost uklanjanja fosfora od 99,5% unutar 10 min., uklanjanje boje i COD-a iz otpadnih voda industrije celuloze i papira itd. Prijavljene učinkovitosti uklanjanja boje, COD-a, Cr(VI), Cu(II) i P iznosile su 100%, 95%, 100%, 97,3% odnosno 99,84%. (usp. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sonoelektrokemijska razgradnja onečišćujućih tvari

Ultrazvučno potpomognute elektrokemijske reakcije oksidacije i/ili redukcije primjenjuju se kao učinkovita metoda razgradnje kemijskih onečišćivala. Sonomehanički i sonokemijski mehanizmi potiču elektrokemijsku razgradnju onečišćivala. Ultrazvučno stvorena kavitacija uzrokuje intenzivno miješanje, mikromiješanje, prijenos tvari i uklanjanje pasivacijskih slojeva s elektroda. Ti kavitacijski učinci uglavnom poboljšavaju prijenos tvari između čvrste i tekuće faze, odnosno između elektroda i otopine. Sonokemijski učinci izravno djeluju na molekule. Homolitičkim cijepanjem molekula nastaju vrlo reaktivni oksidansi. U vodenim medijima i u prisutnosti kisika nastaju radikali kao što su HO•, HO2• i O•. Poznato je da su radikali •OH važni za učinkovitu razgradnju organskih materijala. Općenito, sonoelektrokemijska razgradnja pokazuje visoku učinkovitost i prikladna je za obradu velikih volumena tokova otpadnih voda i drugih onečišćenih tekućina.
Primjerice, Lllanos i sur. (2016) utvrdili su da su pri dezinfekciji vode postignuti značajni sinergijski učinci kada je elektrokemijski sustav intenziviran sonikacijom (sonoelektrokemijska dezinfekcija). Utvrđeno je da je to povećanje brzine dezinfekcije povezano sa suzbijanjem agregata stanica E. coli te s povećanim stvaranjem dezinfekcijskih vrsta. Esclapez i sur. (2010) pokazali su da je pri povećanju mjerila procesa razgradnje trikloroctene kiseline (TCAA) upotrijebljen posebno projektiran sonoelektrokemijski reaktor (koji, međutim, nije bio optimiran) te da je prisutnost ultrazvučnog polja stvorenog uređajem UIP1000hd omogućila bolje rezultate (udio pretvorbe 97%, učinkovitost razgradnje 26%, selektivnost 0,92 i strujna učinkovitost 8%) pri nižim ultrazvučnim intenzitetima i manjem volumnom protoku. S obzirom na to da sonoelektrokemijski reaktor pretpilotnog mjerila još nije bio optimiran, vrlo je vjerojatno da se ti rezultati mogu dodatno poboljšati.

Ultrazvučna voltametrija i elektrotaloženje

Elektrotaloženje je provedeno galvanostatski pri gustoći struje od 15 mA/cm2. Otopine su prije elektrotaloženja podvrgnute sonikaciji tijekom 5–60 minuta. Hielscher sondni ultrazvučni uređaj UP200S upotrijebljen je s vremenom ciklusa od 0,5. Sonikacija je provedena izravnim uranjanjem ultrazvučne sonde u otopinu. Kako bi se procijenio utjecaj ultrazvuka na otopinu prije elektrotaloženja, primijenjena je ciklička voltametrija (CV) radi utvrđivanja ponašanja otopine i predviđanja idealnih uvjeta za elektrotaloženje. Uočeno je da, kada se otopina prije elektrotaloženja podvrgne sonikaciji, taloženje počinje pri manje negativnim vrijednostima potencijala. To znači da je pri istoj struji u otopini potreban manji potencijal jer se vrste u otopini ponašaju aktivnije nego u otopinama koje nisu podvrgnute sonikaciji. (usp. Yurdal & Karahan 2017)
Pročitajte više o sonoelektrokemijskom taloženju prevlaka poboljšanih nanomaterijalima!

Elektrokemijske sonde visokih performansi i SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics vaš je partner s dugogodišnjim iskustvom u području ultrazvučnih sustava visokih performansi. Proizvodimo i distribuiramo najsuvremenije ultrazvučne sonde i reaktore koji se diljem svijeta upotrebljavaju za zahtjevne primjene u teškim radnim uvjetima. Za sonoelektrokemiju Hielscher je razvio posebne ultrazvučne sonde koje mogu djelovati kao katoda i/ili anoda, kao i ultrazvučne reaktorske ćelije prikladne za elektrokemijske reakcije. Ultrazvučne elektrode i ćelije dostupne su za galvanske / voltaičke, kao i za elektrolitičke sustave.

Precizno podesive amplitude za optimalne rezultate

Svim ultrazvučnim procesorima Hielscher može se precizno upravljati, što ih čini pouzdanim radnim strojevima u istraživanju i razvoju te proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na učinkovitost i djelotvornost sonokemijski i sonomehanički induciranih reakcija. Svi procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics omogućuju precizno podešavanje amplitude. Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher mogu postići vrlo visoke amplitude i osigurati potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne sonoelektrokemijske primjene. Amplitude do 200µm mogu se lako održavati kontinuirano tijekom rada 24/7.
Precizno podešavanje amplitude i stalno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera omogućuju vam precizan utjecaj na sonoelektrokemijsku reakciju. Tijekom svakog postupka sonikacije svi se ultrazvučni parametri automatski bilježe na ugrađenu SD karticu kako bi se svaki postupak mogao vrednovati i kontrolirati. Optimalna sonikacija za najučinkovitije sonoelektrokemijske reakcije!
Sva je oprema izrađena za rad 24/7/365 pod punim opterećenjem, a njezina robusnost i pouzdanost čine je radnim strojem u vašem elektrokemijskom procesu. Time ultrazvučna oprema tvrtke Hielscher postaje pouzdan radni alat koji ispunjava zahtjeve vašeg sonoelektrokemijskog procesa.

Najviša kvaliteta – projektirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao poduzeće u obiteljskom vlasništvu kojim upravlja obitelj, Hielscher daje prednost najvišim standardima kvalitete svojih ultrazvučnih procesora. Svi ultrazvučni uređaji projektiraju se, proizvode i temeljito ispituju u našem sjedištu u Teltowu pokraj Berlina u Njemačkoj. Robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher čine je radnim strojem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodna je značajka ultrazvučnih sondi i reaktora visokih performansi tvrtke Hielscher.

Kontaktirajte nas sada i recite nam koji su zahtjevi vašeg elektrokemijskog procesa! Preporučit ćemo vam najprikladnije ultrazvučne elektrode i konfiguraciju reaktora!