Sono-elektrokemija i njezine prednosti

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

Zašto primjenjivati ultrazvuk u elektrokemiji?

Kombinacija niskofrekventnih ultrazvučnih valova visokog intenziteta s elektrokemijskim sustavima donosi višestruke prednosti koje poboljšavaju učinkovitost i stopu konverzije elektrokemijskih reakcija.

Princip rada ultrazvuka

Za visokoučinkovitu ultrazvučnu obradu ultrazvučni generator generira ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije i prenosi ga ultrazvučnom sondom (sonotrodom) u tekućinu. Ultrazvukom velike snage smatra se ultrazvuk u rasponu od 16-30kHz. Ultrazvučna sonda se širi i skuplja npr. na 20kHz, prenoseći tako 20.000 vibracija u sekundi u medij. Kada ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu, naizmjenični ciklusi visokog tlaka (kompresija)? niskog tlaka (razrjeđivanje ili širenje) stvaraju sitne vakuumske mjehuriće ili šupljine, koji rastu tijekom nekoliko ciklusa pritiska. Tijekom faze kompresije tekućine i mjehurića, tlak je pozitivan, dok faza razrjeđivanja proizvodi vakuum (negativan tlak). Tijekom ciklusa kompresije-ekspanzije, šupljine u tekućini rastu dok ne dosegnu veličinu pri kojoj ne mogu apsorbirati više energije. U ovom trenutku oni snažno eksplodiraju. Implozija tih šupljina rezultira različitim visoko energetskim efektima, koji su poznati kao fenomen akustične? ultrazvučne kavitacije. Akustičnu kavitaciju karakteriziraju višestruki visoko energetski učinci, koji utječu na tekućine, sustave kruto/tekuće kao i sustave plin/tekućina. Zona guste energije ili kavitacijska zona poznata je kao takozvana zona vruće točke, koja je energetski najgušća u neposrednoj blizini ultrazvučne sonde i smanjuje se s povećanjem udaljenosti od sonotrode. Glavne karakteristike ultrazvučne kavitacije uključuju lokalne vrlo visoke temperature i tlakove i odgovarajuće razlike, turbulencije i strujanje tekućine. Tijekom implozije ultrazvučnih šupljina u ultrazvučnim vrućim točkama mogu se mjeriti temperature do 5000 Kelvina, tlakovi do 200 atmosfera i mlazevi tekućine do 1000 km/h. Ovi izvanredni energetski intenzivni uvjeti doprinose sonomehaničkim i sonokemijskim učincima koji intenziviraju elektrokemijske sustave na različite načine.

Učinci ultrazvuka na elektrokemijske sustave

Primjena ultrazvuka u elektrokemijskim reakcijama poznata je po različitim učincima na elektrode, tj. anodu i katodu, kao i na elektrolitičku otopinu. Ultrazvučna kavitacija i akustično strujanje stvaraju značajna mikrokretanja, udarajući mlaz tekućine i miješanje u reakcijsku tekućinu. To rezultira poboljšanom hidrodinamikom i kretanjem tekućine/krute smjese. Ultrazvučna kavitacija smanjuje efektivnu debljinu difuzijskog sloja na elektrodi. Smanjeni difuzijski sloj znači da sonikacija minimalizira razliku koncentracije, što znači da se konvergencija koncentracije u blizini elektrode i vrijednosti koncentracije u rasutoj otopini pospješuje ultrazvučno. Utjecaj ultrazvučnog miješanja na gradijente koncentracije tijekom reakcije osigurava trajno dovod svježe otopine na elektrodu i odvođenje izreagiranog materijala. To znači da je sonikacija poboljšala ukupnu kinetiku ubrzavajući brzinu reakcije i povećavajući prinos reakcije.
Uvođenjem ultrazvučne energije u sustav kao i sonokemijskim stvaranjem slobodnih radikala može se pokrenuti elektrokemijska reakcija koja bi inače bila elektroneaktivna. Drugi važan učinak akustične vibracije i strujanja je učinak čišćenja površina elektroda. Pasivirajući slojevi i onečišćenje na elektrodama ograničavaju učinkovitost i brzinu reakcije elektrokemijskih reakcija. Ultrazvučna obrada održava elektrode trajno čistima i potpuno aktivnima za reakciju. Ultrasonication je dobro poznat po svojim učincima otplinjavanja, koji su također korisni u elektrokemijskim reakcijama. Uklanjanjem neželjenih plinova iz tekućine, reakcija može teći učinkovitije.

Primjene sonoelektrokemije

Sonoelektrokemija se može primijeniti na različite procese iu različitim industrijama. Vrlo uobičajene primjene sonoelektrokemije uključuju sljedeće:

• Sinteza nanočestica (elektrosinteza)
• sinteza vodika
• elektrokoagulacija
• Pročišćavanje otpadnih voda
• Razbijanje emulzija
• Galvanizacija? elektrotaloženje

Sono-elektrokemijska sinteza nanočestica

Ultrasonication je uspješno primijenjen za sintezu različitih nanočestica u elektrokemijskom sustavu. Magnetit, nanocijevi kadmij-selen (CdSe), nanočestice platine (NP), nanočestice zlata, metalni magnezij, bizmuten, nano-srebro, ultra-fini bakar, nanočestice legure volfram-kobalt (W–Co), nanokompozit samarija/reducirani grafen oksid , nanočestice bakra s poli(akrilnom kiselinom) veličine ispod 1 nm i mnogi drugi prahovi nano veličine uspješno su proizvedeni pomoću sonoelektrokemije.
Prednosti sonoelektrokemijske sinteze nanočestica uključuju

• izbjegavanje redukcijskih sredstava i surfaktanata
• korištenje vode kao otapala
• prilagodba veličine nanočestica pomoću različitih parametara (ultrazvučna snaga, gustoća struje, potencijal taloženja i vremena ultrazvučnog naspram elektrokemijskog pulsa)

Ashasssi-Sorkhabi i Bagheri (2014) sintetizirali su polipirolne filmove sonoelektrokemijski i usporedili rezultate s elektroheički sintetiziranim polipirol filmovima. Rezultati pokazuju da je galvanostatska sonoelektrodepozicija proizvela čvrsto prianjajući i glatki film polipirola (PPy) na čeliku, s gustoćom struje od 4 mA cm–2 u otopini 0,1 M oksalne kiseline/0,1 M pirola. Koristeći sonoelektrokemijsku polimerizaciju, dobili su visokootporne i čvrste PPy filmove s glatkom površinom. Pokazalo se da PPy premazi pripremljeni sonoelektrokemijom pružaju značajnu zaštitu od korozije St-12 čelika. Sintetizirani premaz bio je ujednačen i pokazao je visoku otpornost na koroziju. Svi ovi rezultati mogu se pripisati činjenici da je ultrazvuk povećao prijenos mase reaktanata i izazvao visoke stope kemijske reakcije putem akustične kavitacije i rezultirajućih visokih temperatura i tlakova. Valjanost podataka o impedanciji za sučelje St-12 čelik/dvije PPy prevlake/korozivni medij provjerena je pomoću KK transformacija i uočene su niske prosječne pogreške.

Hass i Gedanken (2008) izvijestili su o uspješnoj sono-elektrokemijskoj sintezi nanočestica metalnog magnezija. Učinkovitost u sonoelektrokemijskom procesu Gringardovog reagensa u tetrahidrofuranu (THF) ili u otopini dibutildiglima bila je 41,35% odnosno 33,08%. Dodavanje AlCl3 u Gringardovu otopinu dramatično je povećalo učinkovitost, podižući je na 82,70% odnosno 51,69% u THF-u, odnosno dibutildiglimu.

Sono-elektrokemijska proizvodnja vodika

Ultrazvučno potaknuta elektroliza značajno povećava prinos vodika iz vode ili alkalnih otopina. Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučno ubrzanoj elektrolitičkoj sintezi vodika!

Ultrazvučno potpomognuta elektrokoagulacija

Primjena niskofrekventnog ultrazvuka u elektrokoagulacijskim sustavima poznata je kao sono-elektrokoagulacija. Istraživanja pokazuju da sonikacija pozitivno utječe na elektrokoagulaciju, što rezultira npr. većom učinkovitošću uklanjanja željeznih hidroksida iz otpadnih voda. Pozitivan utjecaj ultrazvuka na elektrokoagulaciju objašnjava se smanjenjem pasivizacije elektroda. Niskofrekventni ultrazvuk visokog intenziteta uništava taloženi čvrsti sloj i učinkovito ga uklanja, čime elektrode kontinuirano održavaju potpuno aktivnima. Nadalje, ultrazvuk aktivira obje vrste iona, tj. katione i anione, prisutne u reakcijskoj zoni elektroda. Ultrazvučno miješanje rezultira visokim mikrokretanjem otopine koja dovodi i odvodi sirovi materijal i proizvod prema i od elektroda.
Primjeri uspješnih procesa sono-elektrokoagulacije su redukcija Cr(VI) u Cr(III) u farmaceutskoj otpadnoj vodi, uklanjanje ukupnog fosfora iz otpadnih voda fine kemijske industrije s učinkovitošću uklanjanja fosfora od 99,5% unutar 10 minuta, uklanjanje boje i KPK iz otpadnih voda industrije celuloze i papira itd. Prijavljena učinkovitost uklanjanja boje, KPK, Cr(VI), Cu(II) i P bila je 100%, 95%, 100%, 97,3% i 99,84% , odnosno. (usp. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018.)

Sono-elektrokemijska razgradnja zagađivača

Ultrazvučno potaknute elektrokemijske oksidacijske i/ili redukcijske reakcije primjenjuju se kao snažna metoda za razgradnju kemijskog zagađivača. Sonomehanički i sonokemijski mehanizmi potiču elektrokemijsku razgradnju onečišćujućih tvari. Ultrazvučno generirana kavitacija rezultira intenzivnim miješanjem, mikro-miješanjem, prijenosom mase i uklanjanjem pasivizirajućih slojeva s elektroda. Ovi kavitacijski učinci uglavnom rezultiraju povećanjem prijenosa mase kruto-tekuće između elektroda i otopine. Sonokemijski učinci izravno utječu na molekule. Homolitičko cijepanje molekula stvara visoko reaktivne oksidanse. U vodenom mediju iu prisutnosti kisika nastaju radikali kao što su HO•, HO2• i O•. • Poznato je da su OH radikali važni za učinkovitu razgradnju organskih materijala. Sve u svemu, sono-elektrokemijska razgradnja pokazuje visoku učinkovitost i prikladna je za obradu velikih količina tokova otpadnih voda i drugih zagađenih tekućina.
Na primjer, Lllanos et al. (2016.) otkrili su da je značajan sinergistički učinak postignut za dezinfekciju vode kada je elektrokemijski sustav intenziviran sonikacijom (sono-elektrokemijska dezinfekcija). Utvrđeno je da je ovo povećanje stope dezinfekcije povezano sa suzbijanjem agolomerata stanica E. coli, kao i s povećanom proizvodnjom dezinfekcijskih vrsta. Esclapez i sur. (2010) pokazali su da je posebno dizajniran sonoelektrokemijski reaktor (međutim neoptimiziran) korišten tijekom povećanja razgradnje trikloroctene kiseline (TCAA), prisutnost ultrazvučnog polja generiranog s UIP1000hd dala je bolje rezultate (frakcijska konverzija 97%, učinkovitost razgradnje 26%, selektivnost 0,92 i strujna učinkovitost 8%) pri nižim ultrazvučnim intenzitetima i volumetrijskom protoku. Uzimajući u obzir činjenicu da predpilot sonoelektrokemijski reaktor još nije optimiziran, vrlo je vjerojatno da se ovi rezultati mogu još poboljšati.

Ultrazvučna voltametrija i elektrotaloženje

Elektrotaloženje je provedeno galvanostatički pri gustoći struje od 15 mA/cm2. Otopine su podvrgnute ultrazvučnoj obradi prije elektrotaloženja 5-60 minuta. Hielscher UP200S ultrazvučni uređaj tipa sonde korišten je u vremenu ciklusa od 0,5. Ultrasonication je postignut izravnim uranjanjem ultrazvučne sonde u otopinu. Za procjenu ultrazvučnog utjecaja na otopinu prije elektrotaloženja, korištena je ciklička voltametrija (CV) kako bi se otkrilo ponašanje otopine i omogućilo predviđanje idealnih uvjeta za elektrotaloženje. Uočeno je da kada se otopina podvrgne ultrazvučnoj obradi prije elektrotaloženja, taloženje počinje pri manje negativnim vrijednostima potencijala. To znači da je pri istoj struji u otopini potreban manji potencijal, budući da se vrste u otopini ponašaju aktivnije nego u neultrazvučnim. (usp. Yurdal & Karahan 2017.)

Visokoučinkovite elektrokemijske sonde i sonoelektroreaktori

Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnji iskusni partner za ultrazvučne sustave visokih performansi. Proizvodimo i distribuiramo najsuvremenije ultrazvučne sonde i reaktore koji se širom svijeta koriste za teške primjene u zahtjevnim okruženjima. Za sonoelektrokemiju, Hielscher je razvio posebne ultrazvučne sonde, koje mogu djelovati kao katoda i/ili anoda, kao i ultrazvučne reaktorske ćelije pogodne za elektrokemijske reakcije. Ultrazvučne elektrode i ćelije dostupne su za galvanske/naponske kao i elektrolitičke sustave.

Precizno kontrolirane amplitude za optimalne rezultate

Svi Hielscher ultrazvučni procesori se mogu precizno kontrolirati i stoga su pouzdani radni konji u R&D i proizvodnja. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na učinkovitost i djelotvornost sonokemijski i sonomehanički induciranih reakcija. Sav Hielscher Ultrasonics’ processors allow for the precise setting of the amplitude. Hielscher’s industrial ultrasonic processors can deliver very high amplitudes and deliver the required ultrasonic intensity for demanding sono-electrochamical applications. Amplitudes of up to 200µm can be easily continuously run in 24/7 operation.
Precizne postavke amplitude i stalno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera daju vam mogućnost preciznog utjecaja na sonoelektrokemijsku reakciju. Tijekom svakog rada sonikacije, svi ultrazvučni parametri se automatski bilježe na ugrađenu SD-karticu, tako da se svaki rad može procijeniti i kontrolirati. Optimalna sonikacija za najučinkovitije sonoelektrokemijske reakcije!
All equipment is built for the 24/7/365 use under full load and its robustness and reliability make it the work horse in your electrochemical process. This makes Hielscher’s ultrasonic equipment a reliable work tool that fulfils your sonoelectrochemical process requirements.

Najviša kvaliteta – Dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj

As a family-owned and family-run business, Hielscher prioritizes highest quality standards for its ultrasonic processors. All ultrasonicators are designed, manufactured and thoroughly tested in our headquarter in Teltow near Berlin, Germany. Robustness and reliability of Hielscher’s ultrasonic equipment make it a work horse in your production. 24/7 operation under full load and in demanding environments is a natural characteristic of Hielscher’s high-performance ultrasonic probes and reactors.

Kontaktirajte nas sada i recite nam svoje zahtjeve za elektrokemijskim procesom! Preporučit ćemo vam najprikladnije ultrazvučne elektrode i postavu reaktora!