Sono-elektrokemija i njegove prednosti

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

The application of low-frequency ultrasound to electrocoagulcation systems is known as sono-electrocoagulation. Studies show that sonication influences electrocoagulation positively resulting e.g., in higher removal efficiency of iron hydroxides from wastewater. The positive impact of ultrasonics on electrocoagulation is explained by the reduction of electrode passivation. Low-frequency, high-intensity ultrasound destructs deposited solid layer and removes them efficiently, thereby keeping the electrodes continuously fully active. Furthermore, ultrasonics activates both ion types, i.e. cations and anions, present in the electrodes reaction zone. Ultrasonic agitation results in high micro-movement of the solution feeding and carrying away raw material and product to and from the electrodes.
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!