Sono-elektrokémia és előnyei

Itt mindent megtalál, amit tudnia kell az ultrahangos elektrokémiáról (sonoelectrochemistry): működési elv, alkalmazások, előnyök és sono-elektrokémiai berendezések – Minden releváns információ a sonoelectrochemistry-ről egy oldalon.

Miért kell ultrahangot alkalmazni az elektrokémiára?

Az alacsony frekvenciájú, nagy intenzitású ultrahanghullámok és az elektrokémiai rendszerek kombinációja számos előnnyel jár, amelyek javítják az elektrokémiai reakciók hatékonyságát és konverziós sebességét.

Az ultrahang működési elve

A nagy teljesítményű ultrahangos feldolgozáshoz nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahangot generál egy ultrahanggenerátor, és ultrahangos szondán (sonotrode) keresztül folyadékba kerül. A nagy teljesítményű ultrahangot ultrahangnak tekintik 16-30 kHz tartományban. Az ultrahangos szonda kitágul és összehúzódik pl. 20 kHz-en, ezáltal másodpercenként 20 000 rezgést továbbít a közegbe. Amikor az ultrahangos hullámok áthaladnak a folyadékon, váltakozó nagynyomású (kompressziós) / alacsony nyomású (ritka vagy tágulás) ciklusok apró vákuumbuborékokat vagy üregeket hoznak létre, amelyek több nyomásciklus alatt nőnek. A folyadék és a buborékok kompressziós fázisában a nyomás pozitív, míg a ritka fázis vákuumot (negatív nyomást) eredményez. A kompressziós-tágulási ciklusok során a folyadék üregei addig nőnek, amíg el nem érik azt a méretet, amelynél nem tudnak több energiát elnyelni. Ezen a ponton hevesen összeomlanak. Ezeknek az üregeknek az implóziója különféle nagy energiájú hatásokat eredményez, amelyeket akusztikus / ultrahangos kavitáció jelenségének neveznek. Az akusztikus kavitációt sokrétű, nagy energiájú hatások jellemzik, amelyek folyadékokra, szilárd / folyékony rendszerekre, valamint gáz / folyadék rendszerekre hatnak. Az energia-sűrű zóna vagy kavitációs zóna úgynevezett hot-spot zóna, amely az ultrahangos szonda közvetlen közelében a leginkább energiasűrű, és a sonotrode növekvő távolságával csökken. Az ultrahangos kavitáció fő jellemzői közé tartoznak a helyileg előforduló nagyon magas hőmérsékletek és nyomások, valamint a megfelelő különbségek, turbulenciák és folyadékáramlás. Az ultrahangos forró pontokban az ultrahangos üregek implóziója során akár 5000 Kelvin hőmérséklet, akár 200 atmoszféra nyomása és akár 1000 km / h folyadéksugarak is mérhetők. Ezek a kiemelkedő energiaintenzív körülmények hozzájárulnak a szonomechanikai és szonokémiai hatásokhoz, amelyek különböző módon fokozzák az elektrokémiai rendszereket.

Az ultrahang hatása az elektrokémiai rendszerekre

Az ultrahangos kezelés alkalmazása elektrokémiai reakciókra ismert az elektródákra, azaz anódra és katódra, valamint az elektrolitikus oldatra gyakorolt különböző hatásokról. Az ultrahangos kavitáció és az akusztikus áramlás jelentős mikromozgást generál, amely folyadéksugarakat és keverést okoz a reakciófolyadékba. Ez javítja a hidrodinamikát és a folyadék/szilárd keverék mozgását. Az ultrahangos kavitáció csökkenti a diffúziós réteg hatékony vastagságát egy elektródán. A csökkentett diffúziós réteg azt jelenti, hogy az ultrahangos kezelés minimalizálja a koncentrációkülönbséget, ami azt jelenti, hogy a koncentráció konvergenciája az elektróda közelében és a koncentrációs érték az ömlesztett oldatban ultrahanggal támogatott. Az ultrahangos keverés hatása a koncentrációs gradiensekre a reakció során biztosítja a friss oldat állandó adagolását az elektródához és a reagált anyag eltávolítását. Ez azt jelenti, hogy az ultrahangos kezelés javította az általános kinetikát, felgyorsította a reakciósebességet és növelte a reakcióhozamot.
Az ultrahangos energia bevezetésével a rendszerbe, valamint a szabad gyökök szonokémiai képződésével elektrokémiai reakció indítható, amely egyébként elektroinaktív lett volna. 
Az akusztikus rezgés és áramlás másik fontos hatása az elektróda felületére gyakorolt tisztító hatás. A rétegek passziválása és az elektródák elszennyeződése korlátozza az elektrokémiai reakciók hatékonyságát és reakciósebességét. Az ultrahangos kezelés folyamatosan tisztán tartja az elektródákat és teljesen aktív a reakcióhoz. Az ultrahangos kezelés jól ismert gáztalanító hatásairól, amelyek előnyösek az elektrokémiai reakciókban is. A nem kívánt gázok eltávolítása a folyadékból, a reakció hatékonyabb lehet.

A szonoelektrokémia alkalmazásai

A sonoelektrokémia különböző folyamatokban és különböző iparágakban alkalmazható. A sonoelectrochemistry nagyon gyakori alkalmazásai a következők:

• Nanorészecske-szintézis (elektroszintézis)
• hidrogénszintézis
• elektrokoaguláció
• Szennyvíztisztító
• Törés emulziók
• Galvanizálás / Elektródálás

Nanorészecskék szono-elektrokémiai szintézise

Az ultrahangos kezelést sikeresen alkalmazták különböző nanorészecskék szintetizálására egy elektrokémiai rendszerben. Magnetit, kadmium-szelén (CdSe) nanocsövek, platina nanorészecskék (NP), arany NP-k, fém magnézium, bizmutén, nano-ezüst, ultrafinom réz, volfrám-kobalt (W-Co) ötvözet nanorészecskék, szamaria / redukált grafén-oxid nanokompozit, sub-1nm poli (akrilsav) kupakkal ellátott réz nanorészecskék és sok más nanoméretű por sikeresen előállított sonoelectrochemistry.
A sonoelectrochemical nanorészecske szintézis előnyei közé tartozik a

• redukálószerek és felületaktív anyagok elkerülése
• víz oldószerként történő felhasználása
• a nanorészecske méretének beállítása változó paraméterekkel (ultrahangos teljesítmény, áramsűrűség, lerakódási potenciál és az ultrahangos vs elektrokémiai impulzusidők)

Ashasssi-Sorkhabi és Bagheri (2014) polipirrol filmeket szintetizáltak szonoelektrokémiailag, és összehasonlították az eredményeket elektrocheikusan szintetizált polipirrol filmekkel. Az eredmények azt mutatják, hogy a galvanosztatikus szonoelektródálás erősen tapadó és sima polipirrol (PPy) filmet hozott létre acélon, amelynek áramsűrűsége 4 mA cm–2 0,1 M oxálsav / 0,1 M pirrol oldatban. Szonoelektrokémiai polimerizációval nagy ellenállású és kemény PPy filmeket kaptak sima felülettel. Kimutatták, hogy a sonoelectrochemistry által készített PPy bevonatok jelentős korrózióvédelmet nyújtanak az St-12 acél számára. A szintetizált bevonat egyenletes volt és magas korrózióállóságot mutatott. Mindezek az eredmények annak a ténynek tulajdoníthatók, hogy az ultrahang fokozta a reagensek tömegátadását, és magas kémiai reakciósebességet okozott akusztikus kavitációval és az ebből eredő magas hőmérsékletekkel és nyomásokkal. Az St-12 acél/két PPy bevonat/korrozív közeg interfész impedancia adatainak érvényességét KK transzformációkkal ellenőriztük, és alacsony átlagos hibákat figyeltünk meg.

Hass és Gedanken (2008) beszámoltak a fémes magnézium nanorészecskék sikeres szono-elektrokémiai szintéziséről. A Gringard reagens szonoelektrokémiai folyamatának hatékonysága tetrahidrofuránban (THF) vagy dibutil-diglyme oldatban 41,35% és 33,08% volt. Az AlCl3 hozzáadása a Gringard-oldathoz drámaian növelte a hatékonyságot, 82,70% -ra és 51,69% -ra emelve THF-ben vagy dibutil-digglimben.

Sono-elektrokémiai hidrogéntermelés

Az ultrahanggal támogatott elektrolízis jelentősen növeli a víz vagy lúgos oldatok hidrogénhozamát. Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni az ultrahanggal gyorsított elektrolitikus hidrogénszintézisről!

Ultrahanggal segített elektrokoaguláció

Az alacsony frekvenciájú ultrahang alkalmazása az elektrokoagulkációs rendszerekre sono-elektrokoaguláció néven ismert. Tanulmányok azt mutatják, hogy szonikálás befolyásolja az elektrokoagulációt, ami pozitívan eredményezi pl. a vas-hidroxidok nagyobb eltávolítási hatékonyságát a szennyvízből. Az ultrahang pozitív hatása az elektrokoagulációra az elektróda passziválásának csökkentésével magyarázható. Az alacsony frekvenciájú, nagy intenzitású ultrahang elpusztítja a lerakódott szilárd réteget, és hatékonyan eltávolítja azokat, ezáltal az elektródákat folyamatosan teljesen aktívan tartja. Továbbá az ultrahang aktiválja mindkét iontípust, azaz kationokat és anionokat, amelyek jelen vannak az elektródák reakciózónájában. Az ultrahangos keverés az oldat nagy mikromozgását eredményezi, amely a nyersanyagot és a terméket az elektródákba és az elektródákból szállítja.
A sikeres szono-elektrokoagulációs folyamatok példái a Cr (VI) Cr (III) -ra történő csökkentése a gyógyszeripari szennyvízben, a finom vegyipar szennyvizeiből származó összes foszfor eltávolítása foszfor eltávolítási hatékonysággal 99,5% -os volt 10 percen belül, szín és KOI-eltávolítás a cellulóz- és papíripar szennyvizeiből stb. A szín, a KOI, a Cr(VI), a Cu(II) és a P eltávolítási hatékonysága sorrendben 100%, 95%, 100%, 97,3% és 99,84% volt. (vö. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

A szennyező anyagok szono-elektrokémiai lebomlása

Az ultrahanggal támogatott elektrokémiai oxidációs és / vagy redukciós reakciókat hatékony módszerként alkalmazzák a kémiai szennyező anyagok lebontására. A sonomechanikai és szonokémiai mechanizmusok elősegítik a szennyező anyagok elektrokémiai lebomlását. Az ultrahanggal generált kavitáció intenzív keverést, mikrokeverést, tömegátadást és passziváló rétegek eltávolítását eredményezi az elektródákból. Ezek a kavitációs hatások főként az elektródák és az oldat közötti szilárd-folyadék tömegátadás fokozását eredményezik. A szonokémiai hatások közvetlenül befolyásolják a molekulákat. A molekulák homolitikus hasítása nagyon reaktív oxidálószereket hoz létre. Vizes közegben és oxigén jelenlétében olyan gyökök keletkeznek, mint a HO•, HO2• és O•. •Az OH-gyökökről ismert, hogy fontosak a szerves anyagok hatékony bomlásához. Összességében a sono-elektrokémiai lebomlás nagy hatékonyságot mutat, és alkalmas nagy mennyiségű szennyvízáram és más szennyezett folyadék kezelésére.
Például Lllanos et al. (2016) megállapította, hogy jelentős szinergikus hatást értek el a víz fertőtlenítésére, amikor az elektrokémiai rendszert szonikálással fokozták (sono-elektrokémiai fertőtlenítés). A fertőtlenítési arány növekedése összefüggésbe hozható az E. coli sejt aggolomerátumok elnyomásával, valamint a fertőtlenítő fajok fokozott termelésével. 
Esclapez et al. (2010) kimutatta, hogy egy speciálisan tervezett sonoelectrochemical reaktort (de nem optimalizált) használtak a triklór-ecetsav (TCAA) lebontásának léptéknövelése során, az UIP1000hd-vel generált ultrahangmező jelenléte jobb eredményeket nyújtott (frakcionált konverzió 97%, lebomlási hatékonyság 26%, szelektivitás 0.92 és áramhatékonyság 8%) alacsonyabb ultrahangos intenzitással és térfogatárammal. Figyelembe véve azt a tényt, hogy a pilóta előtti szonoelektrokémiai reaktort még nem optimalizálták, nagyon valószínű, hogy ezek az eredmények még tovább javíthatók.

Ultrahangos voltammetria és elektródálás

Az elektródálást galvanosztatikusan végeztük 15 mA/cm2 áramsűrűség mellett. Az oldatokat ultrahangos kezelésnek vetettük alá az elektródálás előtt 5–60 percig. A Hielscher UP200S szonda típusú ultrahangos készülék 0,5-ös ciklusidőben használták. Az ultrahangos kezelést úgy értük el, hogy az ultrahangos szondát közvetlenül az oldatba merítettük. Az oldatra gyakorolt ultrahangos hatás értékeléséhez az elektródálás előtt ciklikus voltammetriát (CV) alkalmaztunk az oldat viselkedésének feltárására, és lehetővé teszi az elektródálás ideális körülményeinek előrejelzését. Megfigyelhető, hogy amikor az oldatot ultrahangos kezelésnek vetik alá az elektródálás előtt, a lerakódás kevésbé negatív potenciális értékekkel kezdődik. Ez azt jelenti, hogy ugyanabban az áramban az oldatban kevesebb potenciálra van szükség, mivel az oldatban lévő fajok aktívabbak, mint a nem ultrahangosoknál. (vö. Jurdal & Karahan 2017)

Nagy teljesítményű elektrokémiai szondák és SonoElectroReactorok

A Hielscher Ultrasonics az Ön régóta tapasztalt partnere a nagy teljesítményű ultrahangos rendszereknek. A legmodernebb ultrahangos szondákat és reaktorokat gyártjuk és forgalmazzuk, amelyeket világszerte használnak nagy igénybevételt jelentő alkalmazásokhoz igényes környezetben. A sonoelectrochemistry, Hielscher kifejlesztett speciális ultrahangos szondák, amelyek működhetnek katód és / vagy anód, valamint ultrahangos reaktorcellák alkalmas elektrokémiai reakciók. Ultrahangos elektródák és cellák állnak rendelkezésre galvanikus / voltaikus, valamint elektrolitikus rendszerekhez.

Pontosan szabályozható amplitúdók az optimális eredmények érdekében

Minden Hielscher ultrahangos processzor pontosan vezérelhető és ezáltal megbízható munka lovak R&D és termelés. Az amplitúdó az egyik legfontosabb folyamatparaméter, amely befolyásolja a szonokémiai és szonomechanikusan indukált reakciók hatékonyságát és eredményességét. Minden Hielscher Ultrasonics’ A processzorok lehetővé teszik az amplitúdó pontos beállítását. A Hielscher ipari ultrahangos processzorai nagyon nagy amplitúdókat tudnak biztosítani, és biztosítják a szükséges ultrahangos intenzitást az igényes sono-electrochamical alkalmazásokhoz. Akár 200 μm-es amplitúdók is könnyedén működtethetők folyamatosan 24/7 üzemben.
Pontos amplitúdó beállítások és az ultrahangos folyamatparaméterek állandó ellenőrzése intelligens szoftveren keresztül lehetőséget ad arra, hogy pontosan befolyásolja a szonoelektrokémiai reakciót. Minden ultrahangos futtatás során az összes ultrahangos paramétert automatikusan rögzítik egy beépített SD-kártyán, így minden futtatás értékelhető és vezérelhető. Optimális szonikálás a leghatékonyabb szonoelektrokémiai reakciókhoz!
Minden berendezés teljes terhelés melletti 24/7/365 használatra készült, robusztussága és megbízhatósága pedig az elektrokémiai folyamat igáslovává teszi. Ez teszi a Hielscher ultrahangos berendezését megbízható munkaeszköz, amely megfelel a sonoelectrochemical folyamat követelményeinek.

Legmagasabb minőség – Németországban tervezték és gyártották

Családi tulajdonban lévő és családi vállalkozásként a Hielscher az ultrahangos processzorok legmagasabb minőségi előírásait helyezi előtérbe. Minden ultrahangos készüléket terveztek, gyártottak és alaposan teszteltek székhelyünkön, Teltow-ban, Berlin közelében, Németországban. A Hielscher ultrahangos berendezésének robusztussága és megbízhatósága teszi azt a munka lóvá a termelésben. 24/7 működés teljes terhelés alatt és igényes környezetben természetes jellemzője a Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos szondáinak és reaktorainak.

Vegye fel velünk a kapcsolatot most, és mondja el nekünk elektrokémiai folyamatkövetelményeit! Javasoljuk Önnek a legmegfelelőbb ultrahangos elektródákat és reaktorbeállítást!