Elektromos ultrahangos kezelés – Ultrahangos elektródák

Az elektromos ultrahangos kezelés az elektromosság hatásait ötvözi az ultrahangos kezelés hatásaival. A Hielscher Ultrasonics új és elegáns módszert fejlesztett ki arra, hogy bármely szonotróda elektródaként legyen használható. Ez az ultrahang teljesítményét közvetlenül az ultrahangos elektróda és a folyadék közötti határfelületre juttatja. Ott elősegítheti az elektrolízist, javíthatja az anyagátadást, és felszakíthatja a határrétegeket vagy a lerakódásokat. A Hielscher ipari termelésre alkalmas berendezéseket kínál elektromos ultrahangos kezelési folyamatokhoz, bármilyen léptékű szakaszos és átfolyásos eljáráshoz. Az elektromos ultrahangos kezelés nyomással kombinált ultrahangos kezeléssel (mano-szonikáció) és hőmérséklettel kombinált ultrahangos kezeléssel (termo-szonikáció) is ötvözhető.

Az ultrahangos elektródák alkalmazásai

Az ultrahang elektródákon történő alkalmazása újszerű technológia, amely számos különböző folyamatban kínál előnyöket: az elektrolízisben, a galvanizálásban, az elektromos tisztításban, a hidrogénelőállításban és az elektrokoagulációban, a részecskeszintézisben vagy más elektrokémiai reakciókban. A Hielscher Ultrasonics ultrahangos elektródái könnyen beszerezhetők laboratóriumi léptékű kutatáshoz és fejlesztéshez vagy kísérleti üzemi léptékű elektrolízishez. Az elektrolitikus folyamat tesztelése és optimalizálása után a Hielscher Ultrasonics ipari méretű ultrahangos berendezéseivel a folyamat eredményei ipari termelési léptékre vihetők át. Az alábbiakban javaslatokat és ajánlásokat talál az ultrahangos elektródák használatához.

Szonoelektrolízis (ultrahangos elektrolízis)

Az elektrolízis az atomok és ionok egymásba történő átalakulása elektronok elvonása vagy hozzáadása révén, elektromos áram alkalmazásának következtében. Az elektrolízis termékeinek halmazállapota eltérhet az elektrolitétól. Az elektrolízis szilárd anyagokat, például csapadékokat vagy szilárd rétegeket hozhat létre bármelyik elektródán. Más esetekben az elektrolízis gázokat, például hidrogént, klórt vagy oxigént állíthat elő. Az elektróda ultrahangos rezgetése leválaszthatja a szilárd lerakódásokat az elektróda felületéről. Az ultrahangos gáztalanítás gyorsan nagyobb gázbuborékokat hoz létre a mikrobuborékok oldott gázaiból. Ez a gáznemű termékek gyorsabb elválását eredményezi az elektrolittól.

Ultrahangos UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) katódként és/vagy anódként egy elektrolizáló cellában

Ultrahanggal fokozott anyagátadás az elektróda felületén

Az elektrolízis során a termékek az elektródák közelében vagy az elektróda felületén halmozódnak fel. Az ultrahangos rezgetés rendkívül hatékony eszköz az anyagátadás fokozására a határrétegekben. Ez a hatás friss elektrolitot juttat az elektróda felületéhez. A kavitációs áramlás elszállítja az elektrolízis termékeit, például a gázokat vagy a szilárd anyagokat az elektróda felületéről. Ez megakadályozza a folyamatot gátló szigetelőrétegek kialakulását.

Az ultrahang hatásai a bomlási potenciálra

Az anód, a katód vagy mindkét elektróda ultrahangos rezgetése befolyásolhatja a bomlási potenciált vagy a bomlási feszültséget. Ismert, hogy a kavitáció önmagában is képes molekulákat felbontani, szabad gyököket vagy ózont létrehozni. A kavitáció és az elektrolízis kombinációja egy ultrahanggal fokozott elektrolízis során befolyásolhatja az elektrolizáló cella anódja és katódja között az elektrolízis létrejöttéhez szükséges minimális feszültséget. A kavitáció mechanikai és szonokémiai hatásai az elektrolízis energiahatékonyságát is javíthatják.

Ultrahang az elektrolitikus finomításban és fémkinyerésben

Az elektrolitikus finomítás során a fémek, például a réz szilárd lerakódásai az elektrolitban lévő szilárd részecskék szuszpenziójává alakíthatók. Az elektrolitikus fémkinyerés, más néven elektroextrakció során a fémek érceikből történő elektrolitikus leválasztása szilárd csapadékká alakítható. Az elektrolitikusan gyakran kinyert fémek közé tartozik az ólom, a réz, az arany, az ezüst, a cink, az alumínium, a króm, a kobalt, a mangán, valamint a ritkaföldfémek és az alkálifémek.
Az ultrahangos kezelés az ércek kioldására is hatékony módszer.

Folyadékok szonoelektrolitikus tisztítása

Tisztítson meg folyadékokat, például vizes oldatokat, mint a szennyvíz, az iszap vagy hasonló anyagok, úgy, hogy az oldatot két elektróda elektromos terén vezeti át! Az elektrolízis fertőtlenítheti vagy megtisztíthatja a vizes oldatokat. Ha NaCI-oldatot vízzel együtt vezetünk át az elektródákon vagy azok mentén, Cl2 vagy CIO2 keletkezik, amely oxidálhatja a szennyeződéseket és fertőtlenítheti a vizet vagy a vizes oldatokat. Ha a víz elegendő természetes kloridot tartalmaz, nincs szükség hozzáadásra.
Az elektróda ultrahangos rezgései az elektróda és a víz közötti határréteget a lehető legvékonyabbá tehetik. Ez több nagyságrenddel javíthatja az anyagátadást. Az ultrahangos rezgés és a kavitáció jelentősen csökkenti a polarizáció következtében kialakuló mikroszkopikus buborékok képződését. Az ultrahangos elektródák használata az elektrolízisben jelentősen javítja az elektrolitikus tisztítási folyamatot.

Szonoelektrokoaguláció (ultrahangos elektrokoaguláció)

Az elektrokoaguláció olyan szennyvízkezelési módszer, amely szennyező anyagok, például emulgeált olaj, összes kőolaj-szénhidrogén, nehezen lebontható szerves anyagok, lebegő szilárd anyagok és nehézfémek eltávolítására szolgál. Radioaktív ionok is eltávolíthatók a víz tisztítása érdekében. Az ultrahangos kezelés hozzáadása az elektrokoagulációhoz, más néven a szonoelektrokoaguláció, pozitív hatással van a kémiai oxigénigény vagy a zavarosság csökkentésének hatékonyságára. Az elektrokoagulációval kombinált kezelési eljárások jelentősen jobb teljesítményt mutattak a szennyező anyagok ipari szennyvízből történő eltávolításában. Egy szabad gyököket létrehozó lépés, például az ultrahangos kavitáció integrálása az elektrokoagulációba szinergiát és javulást eredményez a teljes tisztítási folyamatban. Ezen ultrahangos-elektrolitikus hibrid rendszerek alkalmazásának célja a teljes kezelési hatékonyság növelése és a hagyományos kezelési eljárások hátrányainak kiküszöbölése. Kimutatták, hogy a hibrid ultrahangos-elektrokoagulációs reaktorok inaktiválják az Escherichia coli baktériumot a vízben.

Ultrahangos UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) szonokatódként és/vagy szonoanódként egy tartályban

Reagensek vagy reaktánsok szonoelektrolitikus, helyben történő előállítása

Számos kémiai folyamat, például a heterogén reakciók vagy a katalízis számára előnyös az ultrahangos rezgetés és az ultrahangos kavitáció. A szonokémiai hatás növelheti a reakciósebességet vagy javíthatja az átalakulás hozamát.
Az ultrahanggal rezgetett elektródák új, nagy hatású eszközt jelentenek a kémiai reakciókhoz. Most a szonokémia előnyeit az elektrolízissel ötvözheti. Állítson elő hidrogént, hidroxidionokat, hipokloritot és számos más iont vagy semleges anyagot közvetlenül az ultrahangos kavitációs térben. Az elektrolízis termékei a kémiai reakció reagenseiként vagy reaktánsaiként működhetnek.

Az ultrahang kombinálása impulzusos elektromos térrel

Az impulzusos elektromos tér (PEF) és az ultrahang (US) kombinációja pozitív hatással van a fizikokémiai, bioaktív vegyületek extrakciójára és a kivonatok kémiai szerkezetére. A mandula extrakciója során a kombinált kezelés (PEF–US) eredményezte az összes fenolos vegyület, az összes flavonoid, a kondenzált tanninok és az antocianinok legmagasabb szintjét, valamint a legmagasabb antioxidáns aktivitást. Csökkentette a teljesítményt és a fémkelátképző aktivitást.
Az ultrahang (US) és az impulzusos elektromos tér (PEF) az anyagátadás és a sejtpermeabilitás javításával növelheti a fermentációs folyamatok hatékonyságát és termelési sebességét.
Az impulzusos elektromos tér és az ultrahangos kezelés kombinációja hatással van a levegővel történő szárítás kinetikájára és a szárított zöldségek, például a sárgarépa minőségére. A szárítási idő 20–40%-kal csökkenthető a rehidratációs tulajdonságok megőrzése mellett.

Szonoelektrokémia / Ultrahangos elektrokémia

Egészítse ki a folyamatot ultrahanggal fokozott elektrolízissel reaktánsok előállításához vagy kémiai reakciók termékeinek felhasználásához, hogy eltolja a kémiai reakció végső egyensúlyát vagy megváltoztassa a kémiai reakció útját.

Az ultrahangos elektródák javasolt elrendezése

A szondás ultrahangos kezelőberendezések innovatív kialakítása egy szabványos ultrahangos szonotródát ultrahanggal rezgő elektródává alakít. Ez hozzáférhetőbbé teszi az ultrahang elektródákon történő alkalmazását, megkönnyíti az integrálását és az ipari termelési léptékre történő felnagyítását. Más kialakítások csupán a két nem rezgetett elektróda közötti elektrolitot rezgették. Az árnyékolás és az ultrahanghullámok terjedési mintázatai gyengébb eredményeket adnak, mint az elektróda közvetlen rezgetése. Az anódokat vagy a katódokat is elláthatja ultrahangos rezgéssel. Természetesen az elektródák feszültségét és polaritását bármikor megváltoztathatja. A Hielscher Ultrasonics elektródái könnyen utólag beépíthetők meglévő rendszerekbe.

Zárt szonoelektrolitikus cella és elektrokémiai reaktorok

Az ultrahangos szonotróda (elektróda) és a reaktortartály között nyomásálló tömítés áll rendelkezésre. Ezért az elektrolizáló cella a környezeti nyomástól eltérő nyomáson is működtethető. Az ultrahang és a nyomás kombinációját mano-szonikációnak nevezik. Ez érdekes lehet, ha az elektrolízis gázokat termel, magasabb hőmérsékleten dolgozik, vagy illékony folyadékkomponensekkel végez munkát. A szorosan lezárt elektrokémiai reaktor a környezeti nyomásnál nagyobb vagy kisebb nyomáson is működhet. Az ultrahangos elektróda és a reaktor közötti tömítés elektromosan vezető vagy szigetelő kivitelben is elkészíthető. Az utóbbi lehetővé teszi, hogy a reaktor falai második elektródaként működjenek. Természetesen a reaktor be- és kimeneti csatlakozásokkal is rendelkezhet, hogy folyamatos eljárásokhoz átfolyó cellás reaktorként szolgáljon. A Hielscher Ultrasonics különféle szabványosított reaktorokat és köpenyes átfolyó cellákat kínál. Alternatívaként többféle adapter közül választhat, hogy a Hielscher szonotródákat az elektrokémiai reaktorához illessze.

Koncentrikus elrendezés csőreaktorban

Ha az ultrahanggal rezgetett elektróda egy másik, nem rezgetett elektróda vagy a reaktorfal közelében van, az ultrahanghullámok a folyadékon keresztül terjednek, és a többi felületre is hatnak. A csőben vagy reaktorban koncentrikusan elhelyezett, ultrahanggal rezgetett elektróda megakadályozhatja a belső falak elszennyeződését vagy a szilárd anyagok felhalmozódását.

Hőmérséklet

Szabványos Hielscher szonotródák elektródaként történő használatakor az elektrolit hőmérséklete 0 és 80 Celsius-fok között lehet. Más elektrolit-hőmérsékletekhez, a -273 Celsius-foktól 500 Celsius-fokig terjedő tartományban, kérésre szonotródák állnak rendelkezésre. Az ultrahang és a hőmérséklet kombinációját termo-szonikációnak nevezik.

Viszkozitás

Ha az elektrolit viszkozitása gátolja az anyagátadást, az elektrolízis közbeni ultrahangos rezgetéssel végzett keverés előnyös lehet, mivel javítja az anyag elektródákhoz történő szállítását és az elektródáktól való elszállítását.

Szonoelektrolízis lüktető árammal

Az ultrahanggal rezgetett elektródákon alkalmazott lüktető áram az egyenáramhoz (DC) képest eltérő termékeket eredményez. Például a lüktető áram növelheti az anódon keletkező ózon oxigénhez viszonyított arányát egy savas vizes oldat, például híg kénsav elektrolízise során. Az etanol impulzusos árammal végzett elektrolízise elsősorban sav helyett aldehidet állít elő.

Berendezések elektromos ultrahangos kezeléshez

A Hielscher Ultrasonics speciális szonoelektrokémiai kiegészítést fejlesztett ki az ipari ultrahang-átalakítókhoz. A kiegészítéssel ellátott átalakító a Hielscher szonotródák szinte minden típusával működik.

Ultrahangos elektródák (szonotródák)

A szonotródák elektromosan el vannak szigetelve az ultrahangos generátortól. Ezért az ultrahangos szonotródára elektromos feszültséget kapcsolhat, hogy a szonotróda elektródaként működjön. A szonotródák és a földelőérintkező közötti szabványos elektromos szigetelési hézag 2,5 mm. Ezért akár 2500 voltot is kapcsolhat a szonotródára. A szabványos szonotródák tömörek és titánból készülnek. Ezért az elektródaáramnak szinte nincs korlátja. A titán számos lúgos vagy savas elektrolittal szemben jó korrózióállóságot mutat. Más szonotródaanyagok, például alumínium (Al), acél (Fe), rozsdamentes acél, nikkel-króm-molibdén vagy nióbium is lehetségesek. A Hielscher költséghatékony, feláldozható anódként működő szonotródákat kínál, például alumíniumból vagy acélból.

Ultrahangos generátor, tápellátás

Az ultrahangos generátor nem igényel módosítást, és szabványos, földelt elektromos csatlakozóaljzatról működik. Az átalakító kürtje, valamint az átalakító és a generátor valamennyi külső felülete természetesen a csatlakozóaljzat földeléséhez csatlakozik. Kizárólag a szonotróda és egy merevítőelem csatlakozik az elektródafeszültséghez. Ez megkönnyíti a rendszer tervezését. A szonotródára egyenáramot (DC), lüktető egyenáramot vagy váltakozó áramot (AC) kapcsolhat. Az ultrahangos elektródák anódként vagy katódként is működtethetők.

Ipari termelőberendezések elektromos ultrahangos kezelési folyamatokhoz

Bármely Hielscher ultrahangos készüléket, például az UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT vagy UIP4000hdT készüléket használhatja akár 4000 watt ultrahangos teljesítmény becsatolására bármely szabványos szonotródába vagy kaszkatroddába. A szonotróda felületén az ultrahang felületi intenzitása 1 watt és négyzetcentiméterenként 100 watt watt között lehet. Különböző geometriájú szonotródák állnak rendelkezésre 1 mikron és 150 mikron közötti amplitúdóval (csúcstól csúcsig). A 20kHz ultrahangfrekvencia rendkívül hatékony a kavitáció és az akusztikus áramlás létrehozásában az elektrolitban. A Hielscher ultrahangos készülékei napi 24 órán át, a hét minden napján működhetnek. Folyamatosan, teljes kimeneti teljesítménnyel vagy impulzusosan is működtetheti őket, például az elektródák időszakos tisztításához. A Hielscher Ultrasonics olyan ultrahangos elektródákat tud szállítani, amelyek egyetlen elektródánként akár 16 kilowatt ultrahangos teljesítményt (mechanikai rezgetést) biztosítanak. Az elektródákra kapcsolható elektromos teljesítménynek szinte nincs korlátja.

Még egy dolog: szonoelektrosztatikus permetezés

A Hielscher Ultrasonics folyadékok permetezésére, ködösítésére, porlasztására vagy aeroszollá alakítására szolgáló berendezéseket gyárt. Az ultrahangos permetező szonotróda pozitív töltést adhat a folyadékködnek vagy az aeroszoloknak. Ez az ultrahangos permetezést elektrosztatikus permetezési technológiával ötvözi, például bevonatképzési eljárásokhoz.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.