Սոնո-էլեկտրոքիմիան և դրա առավելությունները

Այստեղ դուք կգտնեք այն ամենը, ինչ Ձեզ անհրաժեշտ է իմանալ ուլտրաձայնային էլեկտրաքիմիայի (սոնոէլեկտրոքիմիայի) մասին՝ աշխատանքի սկզբունքը, կիրառությունները, առավելությունները և սոնոէլեկտրաքիմիական սարքավորումները: – sonoelectrochemistry-ի վերաբերյալ բոլոր համապատասխան տեղեկությունները մեկ էջում:

Ինչու՞ կիրառել ուլտրաձայնային տեխնիկան էլեկտրաքիմիային:

Ցածր հաճախականության, բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքների համադրությունը էլեկտրաքիմիական համակարգերի հետ բերում է բազմաթիվ առավելություններ, որոնք բարելավում են էլեկտրաքիմիական ռեակցիաների արդյունավետությունը և փոխակերպման արագությունը:

Ուլտրաձայնային աշխատանքի սկզբունքը

Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային մշակման համար բարձր ինտենսիվության, ցածր հաճախականության ուլտրաձայնը ստեղծվում է ուլտրաձայնային գեներատորի կողմից և փոխանցվում է ուլտրաձայնային զոնդի միջոցով (sonotrode) հեղուկի մեջ: Բարձր հզորության ուլտրաձայնը համարվում է ուլտրաձայնային 16-30 կՀց միջակայքում: Ուլտրաձայնային զոնդն ընդլայնվում և կծկվում է, օրինակ, 20 կՀց հաճախականությամբ, այդպիսով համապատասխանաբար վայրկյանում 20000 թրթռում փոխանցելով միջավայր: Երբ ուլտրաձայնային ալիքները անցնում են հեղուկի միջով, փոփոխվող բարձր ճնշման (սեղմում) / ցածր ճնշման (հազվադեպ կամ ընդլայնում) ցիկլերը ստեղծում են րոպեական վակուումային փուչիկներ կամ խոռոչներ, որոնք աճում են ճնշման մի քանի ցիկլերի ընթացքում: Հեղուկի և փուչիկների սեղմման փուլում ճնշումը դրական է, մինչդեռ հազվագյուտ փուլը առաջացնում է վակուում (բացասական ճնշում): Կոմպրեսիոն-ընդլայնման ցիկլերի ընթացքում հեղուկի խոռոչները մեծանում են այնքան ժամանակ, մինչև հասնեն այն չափի, որի դեպքում նրանք չեն կարող ավելի շատ էներգիա կլանել: Այս պահին նրանք ուժգին պայթում են: Այդ խոռոչների պայթեցումը հանգեցնում է տարբեր բարձր էներգետիկ էֆեկտների, որոնք հայտնի են որպես ակուստիկ/ուլտրաձայնային կավիտացիայի երևույթ: Ակուստիկ կավիտացիան բնութագրվում է բազմակի բարձր էներգետիկ ազդեցություններով, որոնք ազդում են հեղուկների, պինդ/հեղուկ համակարգերի, ինչպես նաև գազային/հեղուկ համակարգերի վրա: Էներգախիտ գոտին կամ կավիտացիոն գոտին հայտնի է որպես այսպես կոչված թեժ կետ գոտի, որն ամենաէներգետիկ խիտն է ուլտրաձայնային զոնդի մոտակայքում և նվազում է սոնոտրոդից հեռավորության բարձրացման հետ: Ուլտրաձայնային կավիտացիայի հիմնական բնութագրերը ներառում են տեղական շատ բարձր ջերմաստիճաններ և ճնշումներ և համապատասխան դիֆերենցիալներ, տուրբուլենտներ և հեղուկ հոսք: Ուլտրաձայնային թեժ կետերում ուլտրաձայնային խոռոչների ներթափանցման ժամանակ կարող են չափվել մինչև 5000 Կելվին ջերմաստիճան, մինչև 200 մթնոլորտ ճնշում և մինչև 1000 կմ/ժ արագությամբ հեղուկ շիթեր: Այս ակնառու էներգիայի ինտենսիվ պայմանները նպաստում են սոնոմեխանիկական և սոնոքիմիական ազդեցություններին, որոնք տարբեր ձևերով ուժեղացնում են էլեկտրաքիմիական համակարգերը:

Ուլտրաձայնի ազդեցությունը էլեկտրաքիմիական համակարգերի վրա

Էլեկտրաքիմիական ռեակցիաներին ուլտրաձայնային կիրառումը հայտնի է էլեկտրոդների, այսինքն՝ անոդի և կաթոդի, ինչպես նաև էլեկտրոլիտիկ լուծույթի վրա տարբեր ազդեցությունների համար: Ուլտրաձայնային կավիտացիան և ակուստիկ հոսքը առաջացնում են զգալի միկրո շարժումներ՝ ազդելով հեղուկի շիթերի և գրգռման մեջ ռեակցիայի հեղուկի մեջ: Սա հանգեցնում է հեղուկ/պինդ խառնուրդի հիդրոդինամիկայի և շարժման բարելավմանը: Ուլտրաձայնային կավիտացիան նվազեցնում է էլեկտրոդի վրա դիֆուզիոն շերտի արդյունավետ հաստությունը: Կրճատված դիֆուզիոն շերտը նշանակում է, որ ձայնային արտանետումը նվազագույնի է հասցնում կոնցենտրացիայի տարբերությունը, ինչը նշանակում է, որ էլեկտրոդի մոտակայքում կոնցենտրացիայի կոնվերգենցիան և զանգվածային լուծույթում կոնցենտրացիայի արժեքը խթանվում են ուլտրաձայնային եղանակով: Ուլտրաձայնային գրգռման ազդեցությունը ռեակցիայի ընթացքում կոնցենտրացիայի գրադիենտների վրա ապահովում է թարմ լուծույթի մշտական սնուցումը էլեկտրոդին և արձագանքված նյութի հեռացումը: Սա նշանակում է, որ sonication-ը բարելավեց ընդհանուր կինետիկան՝ արագացնելով ռեակցիայի արագությունը և մեծացնելով ռեակցիայի ելքը:
Համակարգում ուլտրաձայնային էներգիայի ներմուծմամբ, ինչպես նաև ազատ ռադիկալների սոնոքիմիական ձևավորմամբ, կարող է սկսվել էլեկտրաքիմիական ռեակցիա, որը հակառակ դեպքում կլիներ էլեկտրաոչ ակտիվ: Ակուստիկ թրթռման և հոսքի մեկ այլ կարևոր ազդեցությունը էլեկտրոդների մակերեսների վրա մաքրող ազդեցությունն է: Շերտերի պասիվացումը և էլեկտրոդների վրա աղտոտումը սահմանափակում են էլեկտրաքիմիական ռեակցիաների արդյունավետությունը և ռեակցիայի արագությունը: Ուլտրաձայնային էլեկտրոդները մշտապես մաքուր են պահում և լիովին ակտիվ ռեակցիայի համար: Ultrasonication-ը հայտնի է իր գազազերծող էֆեկտներով, որոնք նույնպես օգտակար են էլեկտրաքիմիական ռեակցիաներում: Հեռացնելով հեղուկից անցանկալի գազերը, ռեակցիան կարող է ավելի արդյունավետ գործել:

Սոնոէլեկտրոքիմիայի կիրառությունները

Սոնոէլեկտրոքիմիան կարող է կիրառվել տարբեր գործընթացների և արդյունաբերության տարբեր ոլորտներում: Սոնոէլեկտրոքիմիայի շատ տարածված կիրառությունները ներառում են հետևյալը.

• Նանոմասնիկների սինթեզ (էլեկտրասինթեզ)
• ջրածնի սինթեզ
• էլեկտրակոագուլյացիա
• Կեղտաջրերի մաքրում
• Կոտրող էմուլսիաներ
• Էլեկտրապատում / Էլեկտրականացում

Նանոմասնիկների սոնո-էլեկտրաքիմիական սինթեզ

Ultrasonication-ը հաջողությամբ կիրառվել է էլեկտրաքիմիական համակարգում տարբեր նանոմասնիկների սինթեզման համար: Մագնետիտ, կադմիում-սելենի (CdSe) նանոխողովակներ, պլատինի նանոմասնիկներ (NPs), ոսկու NPs, մետաղական մագնեզիում, բիսմութեն, նանո-արծաթ, չափազանց նուրբ պղինձ, վոլֆրամ-կոբալտ (W–Co) համաձուլվածքի նանոմասնիկներ, սամարիա/վերականգնված նանոգրաֆեն 1 նմ-ից ցածր պոլի(ակրիլաթթու) ծածկված պղնձի նանոմասնիկներ և շատ այլ նանո չափի փոշիներ հաջողությամբ արտադրվել են սոնոէլեկտրոքիմիայի միջոցով:
Սոնոէլեկտրաքիմիական նանոմասնիկների սինթեզի առավելությունները ներառում են

• նվազեցնող նյութերից և մակերեսային ակտիվ նյութերից խուսափելը
• ջրի օգտագործումը որպես լուծիչ
• նանոմասնիկների չափի ճշգրտում տարբեր պարամետրերով (ուլտրաձայնային հզորություն, հոսանքի խտություն, նստվածքի ներուժ և ուլտրաձայնային ընդդեմ էլեկտրաքիմիական իմպուլսի ժամանակներ)

Աշասսի-Սորխաբին և Բաղերին (2014 թ.) սինթեզել են պոլիպիրոլային թաղանթները սոնոէլեկտրաքիմիական եղանակով և արդյունքները համեմատել են էլեկտրոքեյապես սինթեզված պոլիպիրոլային թաղանթների հետ: Արդյունքները ցույց են տալիս, որ գալվանոստատիկ sonoelectrodeposition-ը ստեղծել է ամուր կպչուն և հարթ պոլիպիրոլ (PPy) թաղանթ պողպատի վրա՝ 4 մԱ սմ–2 հոսանքի խտությամբ 0,1 Մ օքսալաթթվի/0,1 Մ պիրոլի լուծույթում: Օգտագործելով սոնոէլեկտրոքիմիական պոլիմերացում՝ նրանք ստացան բարձր դիմադրողական և ամուր PPy թաղանթներ՝ հարթ մակերեսով։ Ցույց է տրվել, որ PPy ծածկույթները, որոնք պատրաստված են sonoelectrochemistry-ի կողմից, ապահովում են St-12 պողպատի կոռոզիայից զգալի պաշտպանություն: Սինթեզված ծածկույթը միատարր էր և ցուցադրում էր բարձր կոռոզիոն դիմադրություն: Այս բոլոր արդյունքները կարող են վերագրվել այն փաստին, որ ուլտրաձայնը ուժեղացրել է ռեակտիվների զանգվածային փոխանցումը և առաջացրել է բարձր քիմիական ռեակցիայի արագություն ակուստիկ կավիտացիայի և արդյունքում առաջացած բարձր ջերմաստիճանների և ճնշման միջոցով: St-12 պողպատի/երկու PPy ծածկույթների/քայքայիչ միջավայրի միջերեսի դիմադրողականության տվյալների վավերականությունը ստուգվել է KK փոխակերպումների միջոցով, և նկատվել են ցածր միջին սխալներ:

Hass-ը և Gedanken-ը (2008) զեկուցել են մետաղական մագնեզիումի նանոմասնիկների հաջող սոնո-էլեկտրաքիմիական սինթեզը: Տետրահիդրոֆուրանի (THF) կամ դիբութիլդիգլիմի լուծույթում Գրինգարդի ռեագենտի սոնոէլեկտրոքիմիական գործընթացում արդյունավետությունը համապատասխանաբար կազմել է 41,35% և 33,08%: AlCl3-ի ավելացումը Գրինգարդի լուծույթին կտրուկ բարձրացրեց արդյունավետությունը՝ համապատասխանաբար բարձրացնելով այն մինչև 82,70% և 51,69% THF-ում կամ դիբութիլդիգլիմում:

Սոնո-էլեկտրաքիմիական ջրածնի արտադրություն

Ուլտրաձայնային էլեկտրոլիզը զգալիորեն մեծացնում է ջրածնի ելքը ջրից կամ ալկալային լուծույթներից: Կտտացրեք այստեղ՝ ուլտրաձայնային արագացված էլեկտրոլիտիկ ջրածնի սինթեզի մասին ավելին կարդալու համար:

Ուլտրաձայնային օգնությամբ էլեկտրակոագուլյացիա

Ցածր հաճախականության ուլտրաձայնի կիրառումը էլեկտրակոագուլյացիայի համակարգերում հայտնի է որպես սոնո-էլեկտրոկագուլյացիա: Հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ ձայնային ազդեցությունը դրականորեն է ազդում էլեկտրակոագուլյացիայի վրա, ինչի արդյունքում, օրինակ, կեղտաջրերից երկաթի հիդրօքսիդների հեռացման բարձր արդյունավետությունը: Ուլտրաձայնի դրական ազդեցությունը էլեկտրակոագուլյացիայի վրա բացատրվում է էլեկտրոդների պասիվացման նվազեցմամբ: Ցածր հաճախականության, բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնը ոչնչացնում է կուտակված պինդ շերտը և արդյունավետորեն հեռացնում դրանք՝ դրանով իսկ պահպանելով էլեկտրոդները շարունակաբար լիարժեք ակտիվ: Ավելին, ուլտրաձայնը ակտիվացնում է էլեկտրոդների ռեակցիայի գոտում առկա երկու իոնային տեսակները, այսինքն՝ կատիոնները և անիոնները: Ուլտրաձայնային գրգռումը հանգեցնում է լուծույթի բարձր միկրո-շարժման, որը սնուցում և տեղափոխում է հումքը և արտադրանքը դեպի էլեկտրոդներ և դրանցից դուրս:
Հաջող սոնոէլեկտրոկագուլյացիայի պրոցեսների օրինակներ են դեղագործական կեղտաջրերում Cr(VI)-ի Cr(III) կրճատումը, նուրբ քիմիական արդյունաբերության արտահոսքերից ընդհանուր ֆոսֆորի հեռացումը ֆոսֆորի հեռացման արդյունավետությամբ 10 րոպեի ընթացքում կազմել է 99,5%, գույնի և COD-ի հեռացում ցելյուլոզայի և թղթի արդյունաբերության կեղտաջրերից և այլն: Գույնի, COD, Cr(VI), Cu(II) և P-ի համար հաղորդվել է հեռացման արդյունավետությունը 100%, 95%, 100%, 97.3% և 99.84%: , համապատասխանաբար։ (տես Ալ-Կոդահ & Ալ-Շաննագ, 2018)

Աղտոտիչների սոնո-էլեկտրաքիմիական քայքայումը

Ուլտրաձայնային խթանված էլեկտրաքիմիական օքսիդացման և/կամ նվազեցման ռեակցիաները կիրառվում են որպես քիմիական աղտոտիչները քայքայելու հզոր մեթոդ: Սոնոմեխանիկական և սոնոքիմիական մեխանիզմները նպաստում են աղտոտիչների էլեկտրաքիմիական քայքայմանը: Ուլտրաձայնային ձևով առաջացած կավիտացիան հանգեցնում է ինտենսիվ գրգռման, միկրո-խառնման, զանգվածի փոխանցման և էլեկտրոդներից պասիվացնող շերտերի հեռացմանը: Այս կավիտացիոն ազդեցությունները հիմնականում հանգեցնում են էլեկտրոդների և լուծույթի միջև պինդ-հեղուկ զանգվածի փոխանցման ուժեղացմանը: Սոնոքիմիական ազդեցությունները ուղղակիորեն ազդում են մոլեկուլների վրա: Մոլեկուլների հոմոլիտիկ տրոհումը առաջացնում է բարձր ռեակտիվ օքսիդանտներ: Ջրային միջավայրում և թթվածնի առկայության դեպքում արտադրվում են այնպիսի ռադիկալներ, ինչպիսիք են HO•, HO2• և O•: •ՕՀ ռադիկալները, ինչպես հայտնի է, կարևոր են օրգանական նյութերի արդյունավետ տարրալուծման համար: Ընդհանուր առմամբ, սոնո-էլեկտրաքիմիական դեգրադացիան ցույց է տալիս բարձր արդյունավետություն և հարմար է մեծ ծավալների կեղտաջրերի հոսքերի և այլ աղտոտված հեղուկների մաքրման համար:
Օրինակ, Lllanos et al. (2016) պարզել է, որ զգալի սիներգիստական ազդեցություն է ձեռք բերվել ջրի ախտահանման համար, երբ էլեկտրաքիմիական համակարգը ուժեղացել է ձայնային ախտահանմամբ (սոնոէլեկտրաքիմիական ախտահանում): Պարզվել է, որ վարակազերծման արագության այս աճը կապված է E. coli բջիջների ագգոմերատների ճնշման, ինչպես նաև ախտահանիչ տեսակների ուժեղացված արտադրության հետ: Էսկլապեսը և այլք: (2010 թ.) ցույց տվեց, որ հատուկ նախագծված սոնոէլեկտրաքիմիական ռեակտորը (սակայն ոչ օպտիմիզացված) օգտագործվել է տրիքլորաքացախաթթվի (TCAA) քայքայման ժամանակ, իսկ UIP1000hd-ով ստեղծված ուլտրաձայնային դաշտի առկայությունը ավելի լավ արդյունքներ է ապահովել (կոտորակային փոխակերպում 97%, քայքայման արդյունավետություն: 26%, ընտրողականություն 0.92 և ընթացիկ արդյունավետությունը 8%) ցածր ուլտրաձայնային ինտենսիվության և ծավալային հոսքի դեպքում: Հաշվի առնելով այն հանգամանքը, որ նախնական փորձնական սոնոէլեկտրաքիմիական ռեակտորը դեռ օպտիմիզացված չէ, շատ հավանական է, որ այդ արդյունքներն էլ ավելի բարելավվեն:

Ուլտրաձայնային վոլտամետրիա և էլեկտրոդեզոնացիա

Էլեկտրադոնավորումն իրականացվել է գալվանոստատիկ եղանակով՝ 15 մԱ/սմ2 հոսանքի խտությամբ: Լուծումները ենթարկվել են ուլտրաձայնային ախտահանման նախքան էլեկտրոդեզոնավորումը 5-60 րոպե: A Hielscher UP200S զոնդի տիպի ուլտրաձայնային սարք օգտագործվել է 0,5 ցիկլի ժամանակ: Ultrasonication-ը ձեռք է բերվել ուլտրաձայնային զոնդն ուղղակիորեն լուծույթի մեջ թաթախելով: Էլեկտրադոնցիայից առաջ լուծույթի վրա ուլտրաձայնային ազդեցությունը գնահատելու համար օգտագործվել է ցիկլային վոլտամետրիա (CV)՝ լուծույթի վարքը բացահայտելու համար և հնարավորություն է տալիս կանխատեսել էլեկտրոդեզոնավորման իդեալական պայմանները: Նկատվում է, որ երբ լուծումը ենթարկվում է ուլտրաձայնային ախտահանման մինչև էլեկտրոդեզոնավորումը, նստվածքը սկսվում է պակաս բացասական պոտենցիալ արժեքներից: Սա նշանակում է, որ լուծույթում միևնույն հոսանքի դեպքում ավելի քիչ ներուժ է պահանջվում, քանի որ լուծույթի տեսակներն իրենց ավելի ակտիվ են պահում, քան ոչ ուլտրաձայնայինում: (տես Յուրդալ & Կարահան 2017)

Բարձր արդյունավետության էլեկտրաքիմիական զոնդեր և SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics-ը ձեր երկարամյա փորձառու գործընկերն է բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային համակարգերի համար: Մենք արտադրում և տարածում ենք գերժամանակակից ուլտրաձայնային զոնդեր և ռեակտորներ, որոնք օգտագործվում են ամբողջ աշխարհում՝ պահանջկոտ միջավայրերում ծանր կիրառման համար: Սոնոէլեկտրոքիմիայի համար Hielscher-ը մշակել է հատուկ ուլտրաձայնային զոնդեր, որոնք կարող են գործել որպես կաթոդ և/կամ անոդ, ինչպես նաև ուլտրաձայնային ռեակտորային բջիջներ, որոնք հարմար են էլեկտրաքիմիական ռեակցիաների համար: Ուլտրաձայնային էլեկտրոդները և բջիջները հասանելի են գալվանական/վոլտային, ինչպես նաև էլեկտրոլիտիկ համակարգերի համար:

Ճշգրիտ վերահսկելի ամպլիտուդներ՝ օպտիմալ արդյունքների համար

Բոլոր Hielscher ուլտրաձայնային պրոցեսորները ճշգրիտ կառավարելի են և դրանով իսկ հուսալի աշխատանքային ձիեր Ռ&Դ և արտադր. Ամպլիտուդը գործընթացի կարևորագույն պարամետրերից մեկն է, որն ազդում է սոնոքիմիական և սոնոմեխանիկորեն առաջացած ռեակցիաների արդյունավետության և արդյունավետության վրա: Բոլոր Hielscher Ultrasonics’ պրոցեսորները թույլ են տալիս ճշգրիտ սահմանել ամպլիտուդը: Hielscher-ի արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները կարող են մատուցել շատ բարձր ամպլիտուդներ և ապահովել պահանջվող ուլտրաձայնային ինտենսիվությունը պահանջկոտ սոնոէլեկտրոխամիկական ծրագրերի համար: Մինչև 200 մկմ ամպլիտուդները հեշտությամբ կարող են շարունակաբար աշխատել 24/7 աշխատանքի ընթացքում:
Ճշգրիտ ամպլիտուդային կարգավորումները և խելացի ծրագրաշարի միջոցով ուլտրաձայնային գործընթացի պարամետրերի մշտական մոնիտորինգը հնարավորություն են տալիս ճշգրիտ ազդելու սոնոէլեկտրաքիմիական ռեակցիայի վրա: Յուրաքանչյուր ձայնագրման ընթացքում բոլոր ուլտրաձայնային պարամետրերը ավտոմատ կերպով գրանցվում են ներկառուցված SD-քարտի վրա, որպեսզի յուրաքանչյուր վազք հնարավոր լինի գնահատել և վերահսկել: Օպտիմալ sonication առավել արդյունավետ sonoelectrochemical ռեակցիաների!
Ամբողջ սարքավորումը կառուցված է 24/7/365 ամբողջ ծանրաբեռնվածության տակ օգտագործելու համար, և դրա ամրությունն ու հուսալիությունը դարձնում են այն աշխատանքային ձին ձեր էլեկտրաքիմիական գործընթացում: Սա Hielscher-ի ուլտրաձայնային սարքավորումը դարձնում է հուսալի աշխատանքային գործիք, որը բավարարում է ձեր sonoelectrochemical գործընթացի պահանջները:

Ամենաբարձր որակը – Նախագծված և արտադրված է Գերմանիայում

Որպես ընտանեկան և ընտանեկան բիզնես, Hielscher-ը առաջնահերթություն է տալիս իր ուլտրաձայնային պրոցեսորների որակի ամենաբարձր չափանիշներին: Բոլոր ուլտրաձայնային սարքերը նախագծված, արտադրված և մանրակրկիտ փորձարկված են մեր գլխավոր գրասենյակում, որը գտնվում է Բեռլինի մերձակայքում գտնվող Թելթոուում, Գերմանիա: Hielscher-ի ուլտրաձայնային սարքավորումների ամրությունն ու հուսալիությունը դարձնում են այն աշխատանքային ձի ձեր արտադրության մեջ: 24/7 աշխատանքը լրիվ ծանրաբեռնվածության տակ և պահանջկոտ միջավայրերում Hielscher-ի բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային զոնդերի և ռեակտորների բնական հատկանիշն է:

Կապվեք մեզ հետ հիմա և պատմեք մեզ ձեր էլեկտրաքիմիական գործընթացի պահանջների մասին: Մենք ձեզ խորհուրդ կտանք ամենահարմար ուլտրաձայնային էլեկտրոդները և ռեակտորի կարգավորումները: