Sono-elektrokemija i njegove prednosti

Ovdje ćete pronaći sve što trebate znati o ultrazvučoj elektrokemiji (sonoelectrochemistry): princip rada, primjene, prednosti i sono-elektrokemijska oprema – sve relevantne informacije o sonoelectrochemistry na jednoj stranici.

Zašto primjena ultrazvuka na elektrokemiju?

Kombinacija niskofrekventnih ultrazvučnih valova visokog intenziteta s elektrokemijskim sustavima dolazi s višenamjernim prednostima, koje poboljšavaju učinkovitost i brzinu pretvorbe elektrokemijskih reakcija.

Radno načelo ultrazvuka

Za ultrazvučnu obradu visokih performansi, ultrazvuk visokog intenziteta, niskofrekventni ultrazvuk nastaje ultrazvučnim generatorom i prenosi se ultrazvučnom sondom (sonotrode) u tekućinu. Ultrazvuk velike snage smatra se ultrazvukom u rasponu od 16-30kHz. Ultrazvučna sonda se proširuje i kontrakcij, na 20kHz, čime se prenosi 20.000 vibracija u sekundi u medij. Kada ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu, naizmjenično visokotlačni (kompresija) / niskotlačni (rarefaction ili ekspanzija) ciklusi stvaraju minute vakuumskih mjehurića ili šupljina, koji rastu tijekom nekoliko ciklusa tlaka. Tijekom faze kompresije tekućine i mjehurića, tlak je pozitivan, dok faza rijetke proizvodnje proizvodi vakuum (negativan tlak). Tijekom ciklusa kompresije i širenja, šupljine u tekućini rastu dok ne dosegnu veličinu, pri čemu ne mogu apsorbirati više energije. U ovom trenutku nasilno implodiraju. Implozija tih šupljina rezultira različitim visokoegetskim učincima, koji su poznati kao fenomen akustične / ultrazvučne karitacije. Akustičnu karitaciju karakteriziraju višenamjeseni visokoegetski učinci, koji utječu na tekućine, čvrste/tekuće sustave kao i plinske/tekuće sustave. Energetski gusta zona ili kavitatacijska zona poznata je kao takozvana hot-spot zona, koja je energetski najgušća u neposrednoj blizini ultrazvučne sonde i opada s povećanjem udaljenosti od sonotroda. Glavne karakteristike ultrazvučne karitacije uključuju lokalno vrlo visoke temperature i tlakove i odgovarajuće diferencijale, turbulencije i tekući streaming. Tijekom implozije ultrazvučnih šupljina u ultrazvučnim žarištima mogu se mjeriti temperature do 5000 Kelvina, pritisci do 200 atmosfera i tekući mlazovi s do 1000 km/h. Ovi izvanredni energetski intenzivni uvjeti doprinose sonomehaničkim i sonokemijskim učincima koji na različite načine pojačavaju elektrokemijske sustave.

Učinci ultrazvuka na elektrokemijske sustave

Primjena ultrazvuka na elektrokemijske reakcije poznata je po različitim učincima na elektrode, odnosno anodu i katodu, kao i elektrolitičkoj otopini. Ultrazvučna kavitacija i akustični strujanje stvaraju značajan mikro-pokret, ometajući tekuće mlazove i uznemirenost u reakcijsku tekućinu. To rezultira poboljšanom hidrodinamikijom i kretanjem tekuće/krute smjese. Ultrazvučna karitacija smanjuje efektivnu debljinu difuzijskog sloja na elektrodi. Smanjeni difuzijski sloj znači da sonikacija minimizira razliku u koncentraciji, što znači da se ultrazvučno promiče konvergencija koncentracije u blizini elektrode i vrijednost koncentracije u otopini rasutog tereta. Utjecaj ultrazvučne uznemirenosti na gradijente koncentracije tijekom reakcije osigurava trajno hranjenje svježe otopine elektrode i odvoz od reagiranog materijala. To znači da je sonikacija poboljšala ukupnu kinetiku ubrzavajući brzinu reakcije i povećavajući prinos reakcije.
Uvođenjem ultrazvučne energije u sustav kao i sonokemijskim formiranjem slobodnih radikala može se pokrenuti elektrokemijska reakcija, koja bi inače bila elektroinaktivna. 
Drugi važan učinak akustičnih vibracija i strujanja je učinak čišćenja na površine elektroda. Pasivni slojevi i zagađanje elektroda ograničavaju učinkovitost i brzinu reakcije elektrokemijskih reakcija. Ultrazvukcija održava elektrode trajno čistima i potpuno aktivnima za reakciju. Ultrazvuka je dobro poznata po svojim učincima degassinga, koji su korisni i u elektrokemijskim reakcijama. Uklanjanje neželjenih plinova iz tekućine, reakcija može pokrenuti učinkovitiji.

Primjena Sonoelectrochemistry

Sonoelectrochemistry se može primijeniti na različite procese iu različitim industrijama. Vrlo česte primjene sonoelectrochemistry uključuju sljedeće:

• Sinteza nanočestica (elektrosinteza)
• Sinteza vodika
• Elektrokoagulacija
• Pročišćavanje otpadnih voda
• Razbijanje emulzija
• Elektroplatiranje / elektrodepozicija

Sono-elektrokemijska sinteza nanočestica

Ultrazvuka je uspješno primijenjena na sintezu različitih nanočestica u elektrokemijskom sustavu. Magnetit, kadmij-selen (CdSe) nanocjevčice, platinaste nanočestice (NPs), zlatni NPs, metalni magnezij, bismutefen, nano-srebro, ultra-fini bakar, volfram–kobalt (W-Co) nanočestice, samarija/reducirane grafen oksidne nanokompromitirane, sub-1nm poli (akrilna kiselina)-kapom ograničene bakrene nanočestice i mnogi drugi prašci nano-veličine su sucely proizvedeni pomoću sonoelectlectemistry.
Prednosti sinoelektrokemijske sinteze nanočestica uključuju

• izbjegavanje smanjenja sredstava i surfaktanata
• korištenje vode kao otapala
• prilagodba veličine nanočestice različitim parametrima (ultrazvučna snaga, gustoća struje, potencijal taloženja i ultrazvučna vs elektrokemijska vremena pulsa)

Ashasssi-Sorkhabi i Bagheri (2014) sintetizirali su polipirrole filmove sonoelectrochemically i usporedili rezultate s elektrohetički sintetiziranim polipirrole filmovima. Rezultati pokazuju da je galvanostatska sonoelektrorodepozicija proizvela snažno prianjajući i glatki polipirrole (PPy) film na čeliku, s trenutnom gustoćom od 4 mA cm–2 u 0,1 M oksalične kiseline/0,1 M pirole otopine. Koristeći sonoelectrochemical polimerizaciju, dobili su visoko-otpor i tvrd PPy filmove s glatkom površinom. Pokazalo se da PPy premazi koje priprema sonoelectrochemistry pružaju značajnu zaštitu od korozije čeliku St-12. Sintetizirani premaz bio je ujednačen i pokazivao je visoku otpornost na koroziju. Svi ovi rezultati mogu se pripisati činjenici da je ultrazvuk poboljšao prijenos mase reaktanata i izazvao visoke stope kemijske reakcije putem akustične karitacije i rezultirajućih visokih temperatura i pritisaka. Valjanost podataka o impedancijama za St-12 čelične/dvije PPy premaz/korozivno medijsko sučelje provjerena je pomoću KK transformacija, a uočene su i niske prosječne pogreške.

Hass i Gedanken (2008) izvijestili su o uspješnoj sono-elektrokemijskoj sintezi metalnih magnezijevih nanočestica. Učinkovitost u sonoelektrokomskom procesu reagensa Gringard u tetrahidrofuranu (THF) ili u otopini dibutyldiglyme bila je 41,35% odnosno 33,08%. Dodavanje AlCl3 u Gringard rješenje dramatično je povećalo učinkovitost, podignuvši je na 82,70% odnosno 51,69% u THF ili dibutyldiglyme.

Sono-elektrokemijska proizvodnja vodika

Ultrazvukano promovirana elektroliza značajno povećava prinos vodika iz vode ili alkalne otopine. Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučni ubrzanoj sintezi elektrolitika vodika!

Ultrazvuka potpomognuta elektrokoagulacija

Primjena niskofrekventnog ultrazvuka na elektrokoagulacijske sustave poznata je kao sono-elektrokoagulacija. Studije pokazuju da sonikacija utječe na elektrokoagulaciju koja pozitivno rezultira npr. Pozitivan utjecaj ultrazvuka na elektrokoagulaciju objašnjava se smanjenjem pasivnosti elektroda. Ultrazvučni ultrazvuk niskog frekvencije visokog intenziteta deponira čvrsti sloj i učinkovito ih uklanja, čime se elektrode održavaju kontinuirano potpuno aktivnima. Nadalje, ultrazvuk aktivira oba iona tipa, odnosno cations i anione, prisutne u zoni reakcije elektroda. Ultrazvučna agitacija rezultira visokim mikro-kretanjem hranjenja otopinom i odnošavanjem sirovine i proizvoda u i iz elektroda.
Primjeri za uspješne procese sono-elektrokoagulacije su smanjenje Cr(VI) na Cr(III) u farmaceutskim otpadnim vodama, uklanjanje ukupnog fosfora iz otpadnih voda fine kemijske industrije s učinkovitošću uklanjanja fosfora bilo je 99,5% u roku od 10 min., uklanjanje boja i COD-a iz otpadnih voda industrije celuloze i papira itd. Prijavljene učinkovitosti uklanjanja boje, COD-a, Cr(VI), Cu(II) i P bile su 100%, 95%, 100%, 97,3%, odnosno 99,84%. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018.)

Sono-elektrokemijska degradacija onečišćujućih tvari

Ultrazvučno promovirana elektrokemijska oksidacija i/ili redukcijske reakcije primjenjuju se kao snažna metoda za razgradnju kemijskih onečišćujućih tvari. Sonomehanički i sonokemijski mehanizmi potiču elektrokemijsku degradaciju onečišćujućih tvari. Ultrazvukastično generirana kavitacija rezultira intenzivnom agitacijom, mikro-miješanjem, prijenosom mase i uklanjanjem prolaznih slojeva iz elektroda. Ovi kavitacijski učinci rezultiraju uglavnom poboljšanjem prijenosa čvrste tekuće mase između elektroda i otopine. Sonokemijski učinci izravno utječu na molekule. Homolitički dekolte molekula stvara visoko reaktivne oksidanse. U aqueous medijima iu prisutnosti kisika proizvode se radikali kao što su HO•, HO2• i O• . •Poznato je da su OH radikali važni za učinkovitu razgradnju organskih materijala. Sveukupno, sono-elektrokemijska degradacija pokazuje visoku učinkovitost i pogodna je za obradu velikih količina tokova otpadnih voda i drugih zagađenih tekućina.
Na primjer, Lllanos et al. (2016) utvrdio je da je za dezinfekciju vode dobiven značajan sinergijski učinak kada je elektrokemijski sustav pojačan sonikacijom (sono-elektrokemijska dezinfekcija). Utvrđeno je da je ovo povećanje stope dezinfekcije povezano sa suzbijanjem aggolomerata stanica E. coli, kao i poboljšanom proizvodnjom vrsta dezinficijensa. 
Esclapez i sur. (2010) pokazali su da je posebno dizajniran sonoelektrokemijski reaktor (međutim nije optimiziran) korišten tijekom razgradnje trobojne kiseline (TCAA), prisutnost ultrazvučnog polja generiranog s UIP1000hd pružila je bolje rezultate (frakcijska pretvorba 97%, učinkovitost degradacije 26%, selektivnost 0,92 i trenutna učinkovitost 8%) pri nižim ultrazvučnim intenzitetima i volumetrijskom protoku. S obzirom na činjenicu da pred-pilot sonoelectrochemical reaktor još nije optimiziran, vrlo je vjerojatno da se ti rezultati mogu još više poboljšati.

Ultrazvučna voltametrija i elektrodepozicija

Elektrodepozicija je provedena galvanostatski pri trenutnoj gustoći od 15 mA/cm2. Rješenja su bila podvrgnuta ultrazvuku prije elektrodepozicije 5–60 minuta. A Hielscher UP200S ultrasonikator tipa sonde korišten je u vrijeme ciklusa od 0,5. Ultrazvuka je postignuta izravnim uranjanjem ultrazvučne sonde u otopinu. Za procjenu ultrazvučnog utjecaja na otopinu prije elektrodepozicije korištena je ciklička voltammetrija (CV) kako bi se otkrilo ponašanje rješenja i omogućio predviđanje idealnih uvjeta za elektrodepoziciju. Uočeno je da kada se otopina podvrgne ultrazvuku prije elektrodepozicije, taloženje počinje s manje negativnim potencijalnim vrijednostima. To znači da je pri istoj struji u otopini potrebno manje potencijala, jer se vrste u otopini ponašaju aktivnije nego kod onih koje nisu ultrazvučne. (cf. Yurdal & Karahan 2017.)

Elektrokemijske sonde visokih performansi i sonoElectroReactors

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

Precizno Controllable Amplitudes za Optimum Rezultate

Svi Hielscherovi ultrazvučni procesori su precizno kontrolirani i time pouzdani radni konji u R&D i produkcija. Amplitude je jedan od ključnih procesa parametara koji utječu na učinkovitost i učinkovitost sonokemijski i sonomehanički izazvane reakcije. Svi Hielscher ultrazvuci’ procesori omogućuju precizno postavljanje amplitude. Hielscherovi industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i isporučiti potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne sono-elektrohalične primjene. Amplitude do 200 μm mogu se lako kontinuirano raditi u 24/7 operaciji.
Precizne postavke amplitude i trajno praćenje ultrazvučnih parametara procesa putem pametnog softvera daju vam mogućnost da precizno utječete na sonoelektrohomemičnu reakciju. Tijekom svakog sonikacije, svi ultrazvučni parametri automatski se bilježe na ugrađenoj SD-kartici, tako da se svaka vožnja može procijeniti i kontrolirati. Optimalna sonikacija za najučinkovitije sonoelectrochemical reakcije!
Sva oprema izrađena je za uporabu 24/7/365 pod punim opterećenjem, a njezina robusnost i pouzdanost čine ga radnim konjem u vašem elektrokemijskom procesu. To čini Hielscherovu ultrazvučnu opremu pouzdanim radnim alatom koji ispunjava vaše zahtjeve za sonoelektrokemičnim procesom.

Najviša kvaliteta – Dizajniran i proizveden u Njemačkoj

Kao obiteljski i obiteljski vođen posao, Hielscher daje prednost najvišim standardima kvalitete za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrazvučnici su dizajnirani, proizvedeni i temeljito testirani u našem sjedište u Teltowu blizu Berlina, Njemačka. Robusnost i pouzdanost Hielscherove ultrazvučne opreme čine ga radnih konja u vašoj proizvodnji. 24 / 7 rad pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima je prirodna karakteristika Hielscher je visoke performanse ultrazvučne sonde i reaktora.

Javite nam se i recite nam o svojim zahtjevima elektrokemijskog procesa! Preporučit ćemo vam najprikladnije ultrazvučne elektrode i postavljanje reaktora!