A szonoelektrokémia és előnyei

Itt mindent megtalál, amit az ultrahangos elektrokémiáról (szonoelektrokémiáról) tudnia kell: működési elv, alkalmazások, előnyök és szonoelektrokémiai berendezések – minden lényeges információ a szonoelektrokémiáról egy oldalon.

Miért alkalmazzunk ultrahangot az elektrokémiában?

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 ultrahanggenerátor állít elő nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahangot, amelyet egy ultrahangos szonda (szonotróda) továbbít a folyadékba. Nagy teljesítményű ultrahangnak a 16–30kHz tartományba eső ultrahangot tekintik. Az ultrahangos szonda például 20kHz frekvencián tágul és összehúzódik, így másodpercenként 20 000 rezgést továbbít a közegbe. Amikor az ultrahanghullámok áthaladnak a folyadékon, a váltakozó nagy nyomású (kompressziós) / kis nyomású (ritkulási vagy tágulási) ciklusok apró vákuumbuborékokat vagy üregeket hoznak létre, amelyek több nyomásciklus során növekednek. A folyadék és a buborékok kompressziós fázisában a nyomás pozitív, míg a ritkulási fázis vákuumot (negatív nyomást) hoz létre. A kompressziós–tágulási ciklusok során a folyadékban lévő üregek addig növekednek, amíg el nem érik azt a méretet, amelynél már nem képesek további energiát elnyelni. Ekkor hevesen összeroppannak. Ezen üregek összeroppanása különféle, nagy energiájú hatásokat eredményez, amelyeket az akusztikus / ultrahangos kavitáció jelenségeként ismerünk. Az akusztikus kavitációt számos nagy energiájú hatás jellemzi, amelyek folyadékokra, szilárd/folyadék rendszerekre, valamint gáz/folyadék rendszerekre is hatnak. Az energiasűrű zónát vagy kavitációs zónát úgynevezett forrópont-zónának nevezik; energiasűrűsége az ultrahangos szonda közvetlen közelében a legnagyobb, és a szonotródától mért távolság növekedésével csökken. Az ultrahangos kavitáció fő jellemzői közé tartoznak a helyileg fellépő igen magas hőmérsékletek és nyomások, valamint ezek különbségei, a turbulencia és a folyadékáramlás. Az ultrahang által létrehozott üregek ultrahangos forrópontokban történő összeroppanásakor akár 5000 Kelvin hőmérséklet, akár 200 atmoszféra nyomás és akár 1000km/h sebességű folyadéksugarak mérhetők. Ezek a rendkívüli, nagy energiájú körülmények hozzájárulnak azokhoz a szonomechanikai és szonokémiai hatásokhoz, amelyek különféle módokon intenzifikálják az elektrokémiai rendszereket.

Az ultrahang hatásai az elektrokémiai rendszerekre

Az elektrokémiai reakciókban alkalmazott ultrahangos kezelés az elektródokra, azaz az anódra és a katódra, valamint az elektrolitoldatra gyakorolt különféle hatásairól ismert. Az ultrahangos kavitáció és az akusztikus áramlás jelentős mikromozgásokat, becsapódó folyadéksugarakat és keverést hoz létre a reakcióközegben. Ez javítja a folyadék/szilárd keverék hidrodinamikai viszonyait és mozgását. Az ultrahangos kavitáció csökkenti az elektródnál kialakuló diffúziós réteg effektív vastagságát. A vékonyabb diffúziós réteg azt jelenti, hogy az ultrahangos kezelés minimalizálja a koncentrációkülönbséget, vagyis az ultrahang elősegíti az elektród közelében lévő koncentráció és az oldat tömbfázisában mérhető koncentrációérték közeledését. Az ultrahangos keverésnek a reakció során fennálló koncentrációgradiensekre gyakorolt hatása biztosítja a friss oldat folyamatos eljuttatását az elektródhoz és az elreagált anyag elszállítását. Ez azt jelenti, hogy az ultrahangos kezelés javította az összesített kinetikát, felgyorsítva a reakciót és növelve a reakcióhozamot.
Az ultrahangenergia rendszerbe juttatásával, valamint a szabad gyökök szonokémiai képződésével olyan elektrokémiai reakció indítható el, amely egyébként elektroinaktív lenne. Az akusztikus rezgés és áramlás másik fontos hatása az elektródfelületek tisztítása. Az elektródokon kialakuló passziváló rétegek és lerakódások korlátozzák az elektrokémiai reakciók hatékonyságát és sebességét. Az ultrahangos kezelés folyamatosan tisztán és a reakcióhoz teljesen aktív állapotban tartja az elektródokat. Az ultrahangos kezelés jól ismert gáztalanító hatásairól, amelyek az elektrokémiai reakciókban is előnyösek. A nem kívánt gázok folyadékból történő eltávolításával a reakció hatékonyabban mehet végbe.

A szonoelektrokémia alkalmazásai

A szonoelektrokémia különféle folyamatokban és különböző iparágakban alkalmazható. A szonoelektrokémia igen gyakori alkalmazásai közé tartoznak a következők:

• Nanorészecskék szintézise (elektroszintézis)
• Hidrogénszintézis
• Elektrokoaguláció
• Szennyvízkezelés
• Emulzióbontás
• Galvanizálás / Elektrokémiai leválasztás
• Ohmos fűtés

Nanorészecskék szonoelektrokémiai szintézise

Az ultrahangos kezelést sikeresen alkalmazták különféle nanorészecskék elektrokémiai rendszerben történő szintézisére. Szonoelektrokémiai módszerrel sikeresen állítottak elő magnetitet, kadmium–szelén (CdSe) nanocsöveket, platina-nanorészecskéket (NP-ket), arany-NP-ket, fémes magnéziumot, bizmutént, nanoezüstöt, ultrafinom rezet, volfrám–kobalt (W–Co) ötvözet-nanorészecskéket, szamárium-oxid/redukált grafén-oxid nanokompozitot, poli(akrilsav)-val bevont, 1nm alatti réz-nanorészecskéket és számos más nanoméretű port.
A szonoelektrokémiai nanorészecske-szintézis előnyei közé tartoznak a következők:

• redukálószerek és felületaktív anyagok használatának elkerülése
• víz használata oldószerként
• a nanorészecskeméret beállítása a paraméterek változtatásával (ultrahangos teljesítmény, áramsűrűség, leválasztási potenciál, valamint az ultrahangos és az elektrokémiai impulzusok időtartama)

Ashasssi-Sorkhabi és Bagheri (2014) szonoelektrokémiai módszerrel polipirrolfilmeket szintetizáltak, és az eredményeket elektrokémiai úton szintetizált polipirrolfilmekkel hasonlították össze. Az eredmények azt mutatják, hogy a galvanosztatikus szonoelektrokémiai leválasztás erősen tapadó, sima polipirrolfilmet (PPy) hozott létre acélon, 4 mA cm–2 áramsűrűség mellett, 0,1 M oxálsav/0,1 M pirrol oldatban. Szonoelektrokémiai polimerizációval nagy ellenállású, szívós, sima felületű PPy-filmeket nyertek. Kimutatták, hogy a szonoelektrokémiai módszerrel előállított PPy-bevonatok jelentős korrózióvédelmet biztosítanak az St-12 acél számára. A szintetizált bevonat egyenletes volt, és nagy korrózióállóságot mutatott. Mindezek az eredmények annak tulajdoníthatók, hogy az ultrahang fokozta a reaktánsok anyagátadását, és az akusztikus kavitáció, valamint az ebből eredő magas hőmérsékletek és nyomások révén nagy kémiai reakciósebességeket idézett elő. Az St-12 acél/két PPy-bevonat/korrozív közeg határfelületére vonatkozó impedanciaadatok érvényességét KK-transzformációkkal ellenőrizték, és kis átlagos hibákat tapasztaltak.

Hass és Gedanken (2008) fémes magnézium-nanorészecskék sikeres szonoelektrokémiai szintéziséről számoltak be. A Gringard-reagens tetrahidrofuránban (THF), illetve dibutil-diglim oldatban végzett szonoelektrokémiai folyamatának hatásfoka rendre 41,35% és 33,08% volt. AlCl3 hozzáadása a Gringard-oldathoz drámai mértékben növelte a hatásfokot, THF-ben 82,70%-ra, dibutil-diglimben pedig 51,69%-ra emelve azt.

Szonoelektrokémiai hidrogénelőállítás

Az ultrahanggal elősegített elektrolízis jelentősen növeli a vízből vagy lúgos oldatokból nyerhető hidrogén hozamát. Kattintson ide, és olvasson többet az ultrahanggal gyorsított elektrolitikus hidrogénszintézisről!

Ultrahanggal segített elektrokoaguláció

Az alacsony frekvenciájú ultrahang elektrokoagulációs rendszerekben történő alkalmazását szonoelektrokoagulációnak nevezik. A vizsgálatok azt mutatják, hogy az ultrahangos kezelés kedvezően befolyásolja az elektrokoagulációt, például javítja a vas-hidroxidok szennyvízből történő eltávolításának hatékonyságát. Az ultrahang elektrokoagulációra gyakorolt kedvező hatása az elektródpassziváció csökkenésével magyarázható. Az alacsony frekvenciájú, nagy intenzitású ultrahang szétroncsolja a lerakódott szilárd réteget, és hatékonyan eltávolítja azt, ezáltal folyamatosan teljesen aktív állapotban tartja az elektródokat. Az ultrahang emellett aktiválja az elektródok reakciózónájában jelen lévő mindkét iontípust, azaz a kationokat és az anionokat. Az ultrahangos keverés erőteljes mikromozgásokat eredményez az oldatban, amelyek a nyersanyagot és a terméket az elektródokhoz szállítják, illetve elszállítják onnan.
A sikeres szonoelektrokoagulációs folyamatokra példa a Cr(VI) Cr(III)-má történő redukciója gyógyszeripari szennyvízben, az összes foszfor eltávolítása a finomvegyipar elfolyó vizeiből, ahol a foszforeltávolítás hatékonysága 10 perc alatt 99,5% volt, továbbá a szín és a KOI eltávolítása a cellulóz- és papíripar elfolyó vizeiből stb. A szín, a KOI, a Cr(VI), a Cu(II) és a P jelentett eltávolítási hatékonysága rendre 100%, 95%, 100%, 97,3% és 99,84% volt. (vö. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Szennyező anyagok szonoelektrokémiai lebontása

Az ultrahanggal elősegített elektrokémiai oxidációs és/vagy redukciós reakciókat hatékony módszerként alkalmazzák kémiai szennyező anyagok lebontására. A szonomechanikai és szonokémiai mechanizmusok elősegítik a szennyező anyagok elektrokémiai lebontását. Az ultrahanggal létrehozott kavitáció intenzív keverést, mikrokeverést, anyagátadást és a passziváló rétegek elektródokról történő eltávolítását eredményezi. Ezek a kavitációs hatások elsősorban az elektródok és az oldat közötti szilárd–folyadék anyagátadást fokozzák. A szonokémiai hatások közvetlenül a molekulákra hatnak. A molekulák homolitikus hasadása rendkívül reakcióképes oxidálószereket hoz létre. Vizes közegben és oxigén jelenlétében olyan gyökök keletkeznek, mint a HO•, a HO2• és az O•. A •OH-gyökökről ismert, hogy fontos szerepet játszanak a szerves anyagok hatékony lebontásában. Összességében a szonoelektrokémiai lebontás nagy hatékonyságot mutat, és alkalmas nagy mennyiségű szennyvízáram és más szennyezett folyadék kezelésére.
Lllanos és munkatársai (2016) például azt találták, hogy a vízfertőtlenítés során jelentős szinergikus hatásokat értek el, amikor az elektrokémiai rendszert ultrahangos kezeléssel intenzifikálták (szonoelektrokémiai fertőtlenítés). A fertőtlenítési sebesség e növekedését az E. coli sejtaggregátumok visszaszorításával, valamint a fertőtlenítő hatású részecskék fokozott képződésével hozták összefüggésbe. Esclapez és munkatársai (2010) kimutatták, hogy amikor a triklór-ecetsav (TCAA) lebontásának méretnövelése során egy kifejezetten erre tervezett, de nem optimalizált szonoelektrokémiai reaktort használtak, a UIP1000hd által létrehozott ultrahangtér jelenléte kisebb ultrahang-intenzitás és térfogatáram mellett jobb eredményeket biztosított (konverziós hányad 97%, lebontási hatékonyság 26%, szelektivitás 0,92 és áramhatásfok 8%). Tekintettel arra, hogy az előkísérleti szonoelektrokémiai reaktort még nem optimalizálták, nagyon valószínű, hogy ezek az eredmények tovább javíthatók.

Ultrahangos voltammetria és elektrokémiai leválasztás

Az elektrokémiai leválasztást galvanosztatikusan, 15 mA/cm2 áramsűrűséggel végezték. Az oldatokat a leválasztás előtt 5–60 percig ultrahangos kezelésnek vetették alá. Egy Hielscher UP200S szondás ultrahangos készüléket használtak 0,5 ciklusidővel. Az ultrahangos kezelést az ultrahangos szonda oldatba történő közvetlen bemerítésével végezték. Az ultrahang oldatra gyakorolt hatásának leválasztás előtti értékeléséhez ciklikus voltammetriát (CV) alkalmaztak az oldat viselkedésének feltárására, ami lehetővé teszi a leválasztás ideális körülményeinek előrejelzését. Megfigyelhető, hogy ha az oldatot a leválasztás előtt ultrahangos kezelésnek vetik alá, a leválasztás kevésbé negatív potenciálértékeken kezdődik. Ez azt jelenti, hogy az oldatban azonos áram mellett kisebb potenciál szükséges, mivel az oldatban lévő részecskék aktívabban viselkednek, mint az ultrahanggal nem kezelt oldatokban. (vö. Yurdal & Karahan 2017)
Olvasson többet a nanotechnológiával javított bevonatok szonoelektrokémiai leválasztásáról!

Nagy teljesítményű elektrokémiai szondák és SonoElectroReactors

A Hielscher Ultrasonics az Ön nagy tapasztalattal rendelkező partnere a nagy teljesítményű ultrahangos rendszerek terén. Korszerű ultrahangos szondákat és reaktorokat gyártunk és forgalmazunk, amelyeket világszerte nagy igénybevételű alkalmazásokhoz használnak, nehéz üzemi körülmények között. A szonoelektrokémiához a Hielscher speciális ultrahangos szondákat fejlesztett ki, amelyek katódként és/vagy anódként működhetnek, továbbá elektrokémiai reakciókhoz alkalmas ultrahangos reaktorcellákat is. Ultrahangos elektródok és cellák galvánelemes / voltaelemes, valamint elektrolitikus rendszerekhez egyaránt rendelkezésre állnak.

Pontosan szabályozható amplitúdók az optimális eredményekért

Minden Hielscher ultrahangos processzor pontosan szabályozható, így megbízhatóan végzi a munkát a kutatás-fejlesztésben és a termelésben. Az amplitúdó egyike azoknak a meghatározó folyamatparamétereknek, amelyek befolyásolják a szonokémiai és szonomechanikai úton előidézett reakciók hatékonyságát és eredményességét. A Hielscher Ultrasonics minden processzora lehetővé teszi az amplitúdó pontos beállítását. A Hielscher ipari ultrahangos processzorai igen nagy amplitúdókat képesek biztosítani, és előállítják az igényes szonoelektrokémiai alkalmazásokhoz szükséges ultrahang-intenzitást. Akár 200µm amplitúdóval is könnyedén üzemeltethetők folyamatosan, 24/7 üzemben.
Az amplitúdó pontos beállítása és az ultrahangos folyamatparaméterek intelligens szoftverrel végzett folyamatos felügyelete lehetővé teszi a szonoelektrokémiai reakció pontos befolyásolását. Minden ultrahangos kezelési menet során az összes ultrahangparaméter automatikusan rögzül egy beépített SD-kártyán, így minden menet kiértékelhető és ellenőrizhető. Optimális ultrahangos kezelés a leghatékonyabb szonoelektrokémiai reakciókhoz!
Minden berendezést teljes terhelés mellett végzett 24/7/365 használatra terveztek, robusztusságuk és megbízhatóságuk pedig biztosítja, hogy elektrokémiai folyamatában kitartóan végezzék a munkát. Ez a Hielscher ultrahangos berendezéseit olyan megbízható munkaeszközzé teszi, amely teljesíti az Ön szonoelektrokémiai folyamatának követelményeit.

A legmagasabb minőség – Németországban tervezve és gyártva

Családi tulajdonban lévő és családi irányítású vállalkozásként a Hielscher a legmagasabb minőségi szabványokat helyezi előtérbe ultrahangos processzorai esetében. Minden ultrahangos készüléket a németországi, Berlin közelében fekvő Teltowban található központunkban tervezünk, gyártunk és alaposan tesztelünk. A Hielscher ultrahangos berendezéseinek robusztussága és megbízhatósága biztosítja, hogy kitartóan végezzék a munkát az Ön termelésében. A teljes terhelés mellett, nehéz üzemi körülmények között végzett 24/7 működés a Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos szondáinak és reaktorainak természetes jellemzője.

Lépjen kapcsolatba velünk most, és mondja el elektrokémiai folyamatának követelményeit! Ajánlani fogjuk Önnek a legmegfelelőbb ultrahangos elektródokat és reaktorkonfigurációt!