Elektro-Sonikasi – Elektroda Ultrasonik
Electro-Sonikasi adalah kombinasi dari efek listrik dengan efek sonikasi. Hielscher Ultrasonics mengembangkan metode baru dan elegan untuk menggunakan sonotrode apa pun sebagai elektroda. Ini menempatkan kekuatan ultrasound langsung pada antarmuka antara elektroda ultrasonik dan cairan. Di sana dapat meningkatkan elektrolisis, meningkatkan perpindahan massa, dan memecahkan lapisan batas atau endapan. Hielscher memasok peralatan kelas produksi untuk proses elektro-sonikasi dalam proses batch dan inline pada skala berapa pun. Anda dapat menggabungkan elektro-sonikasi dengan mano-sonikasi (tekanan) dan termo-sonikasi (suhu).
Aplikasi Elektroda Ultrasonik
Penerapan ultrasonik pada elektroda adalah teknologi baru dengan manfaat untuk berbagai proses dalam elektrolisis, galvanisasi, pemurnian elektro, pembangkitan hidrogen dan elektro-koagulasi, sintesis partikel atau reaksi elektro-kimia lainnya. Hielscher Ultrasonics memiliki elektroda ultrasonik yang tersedia untuk penelitian dan pengembangan pada skala laboratorium atau elektrolisis skala percontohan. Setelah Anda menguji dan mengoptimalkan proses elektrolitik, Anda dapat menggunakan peralatan ultrasound ukuran produksi Hielscher Ultrasonics untuk meningkatkan hasil proses Anda ke tingkat produksi industri. Di bawah ini, Anda akan menemukan saran dan rekomendasi untuk penggunaan elektroda ultrasonik.
Sono-Electrolysis (Elektrolisis Ultrasonik)
Elektrolisis adalah pertukaran atom dan ion dengan penghilangan atau penambahan elektron yang dihasilkan dari penerapan arus listrik. Produk elektrolisis dapat memiliki keadaan fisik yang berbeda dari elektrolit. Elektrolisis dapat menghasilkan padatan, seperti endapan atau lapisan padat pada salah satu elektroda. Atau, elektrolisis dapat menghasilkan gas, seperti Hidrogen, Klorin atau Oksigen. Agitasi ultrasonik elektroda dapat memecahkan endapan padat dari permukaan elektroda. Degassing ultrasonik dengan cepat menghasilkan gelembung gas yang lebih besar dari gas terlarut dari gelembung mikro. Ini mengarah pada pemisahan produk gas yang lebih cepat dari elektrolit.
Transfer Massa yang Ditingkatkan Secara Ultrasonik pada Permukaan Elektroda
Selama proses elektrolisis, produk menumpuk di dekat elektroda atau di permukaan elektroda. Agitasi ultrasonik adalah alat yang sangat efektif untuk meningkatkan perpindahan massa pada lapisan batas. Efek ini membawa elektrolit segar bersentuhan dengan permukaan elektroda. Aliran kavitasi mengangkut produk elektrolisis, seperti gas atau padatan menjauh dari permukaan elektroda. Oleh karena itu, pembentukan lapisan isolasi yang menghambat dapat dicegah.
Pengaruh Ultrasonik pada Potensi Dekomposisi
Agitasi ultrasonik anoda, katoda, atau kedua elektroda, dapat mempengaruhi potensial dekomposisi atau tegangan dekomposisi. Kavitasi saja diketahui dapat memecah molekul, menghasilkan radikal bebas atau ozon. Kombinasi kavitasi dengan elektrolisis dalam elektrolisis yang ditingkatkan secara ultrasonik dapat memengaruhi tegangan minimum yang diperlukan antara anoda dan katoda sel elektrolitik agar elektrolisis terjadi. Efek mekanis dan sonokimia dari kavitasi juga dapat meningkatkan efisiensi energi elektrolisis.
Ultrasound dalam Electrorefining dan Electrowinning
Dalam proses electrorefining, endapan padat logam, seperti tembaga dapat diubah menjadi suspensi partikel padat dalam elektrolit. Dalam elektrowinning, juga disebut elektroekstraksi, elektrodeposisi logam dari bijihnya dapat diubah menjadi endapan padat. Logam elektrowon yang umum adalah timbal, tembaga, emas, perak, seng, aluminium, kromium, kobalt, mangan, dan logam tanah jarang dan alkali. Ultrasonikasi juga merupakan sarana yang efektif untuk pencucian bijih.
Pemurnian Cairan Sono-Elektrolit
Memurnikan cairan, misalnya larutan berair seperti air limbah, lumpur atau sejenisnya, dengan mengarahkan larutan melalui medan listrik dua elektroda! Elektrolisis dapat mendisinfeksi atau memurnikan larutan berair. Memberi makan larutan NaCI bersama dengan air melalui elektroda atau melintasi elektroda, menghasilkan Cl2 atau CIO2, yang dapat mengoksidasi kotoran dan mendisinfeksi air atau larutan berair. Jika air mengandung klorida alami yang cukup, tidak perlu ditambahkan.
Getaran ultrasonik elektroda dapat membuat lapisan batas antara elektroda dan air setipis mungkin. Ini dapat meningkatkan perpindahan massa dengan banyak urutan besarnya. Getaran ultrasonik dan kavitasi mengurangi pembentukan gelembung mikroskopis karena polarisasi, secara signifikan. Penggunaan elektroda ultrasonik untuk elektrolisis meningkatkan proses pemurnian elektrolitik secara signifikan.
Sono-Electrocoagulation (Elektrokoagulasi Ultrasonik)
Elektrokoagulasi adalah metode pengolahan air limbah untuk menghilangkan kontaminan, seperti minyak emulsi, hidrokarbon minyak bumi total, organik tahan api, padatan tersuspensi, dan logam berat. Juga, ion radioaktif dapat dihilangkan dari pemurnian air. Penambahan elektrokoagulasi ultrasonikasi, juga dikenal sebagai sono-elektrokoagulasi, memiliki efek positif pada permintaan oksigen kimia atau efisiensi penghilangan kekeruhan. Proses pengolahan gabungan elektrokoagulasi telah menunjukkan kinerja yang sangat meningkat dalam menghilangkan polutan dari air limbah industri. Integrasi langkah penghasil radikal bebas, seperti kavitasi ultrasonik dengan elektrokoagulasi menunjukkan sinergi dan peningkatan dalam proses pembersihan secara keseluruhan. Tujuan menggunakan sistem hibrida ultrasonik-elektrolitik ini adalah untuk meningkatkan efisiensi perawatan secara keseluruhan dan menghilangkan kerugian dari proses perawatan konvensional. Reaktor ultrasonik-elektrokoagulasi hibrida telah terbukti menonaktifkan Escherichia dalam air.
Pembuatan Reagen atau Reaktan In-Situ Sono-Elektrolit
Banyak proses kimia, seperti reaksi heterogen atau katalisis mendapat manfaat dari agitasi ultrasonik dan kavitasi ultrasonik. Pengaruh sono-kimia dapat meningkatkan kecepatan reaksi atau meningkatkan hasil konversi.
Elektroda yang diaduk secara ultrasonik menambahkan alat baru yang ampuh untuk reaksi kimia. Sekarang Anda dapat menggabungkan manfaat sonokimia dengan elektrolisis. Menghasilkan hidrogen, ion hidroksida, hipoklorit dan banyak ion atau bahan netral lainnya tepat di bidang kavitasi ultrasonik. Produk elektrolisis dapat bertindak sebagai reagen atau sebagai reaktan terhadap reaksi kimia.
Reaktan adalah bahan input yang berpartisipasi dalam reaksi kimia. Reaktan dikonsumsi untuk membuat produk reaksi kimia
Kombinasi Ultrasound dengan Medan Listrik Berdenyut
Kombinasi medan listrik berdenyut (PEF) dan ultrasound (US) memiliki efek positif untuk ekstraksi fisikokimia, senyawa bioaktif dan struktur kimia ekstrak. Dalam ekstraksi almond, perlakuan gabungan (PEF-US) telah menghasilkan tingkat tertinggi dari total fenolik, total flavonoid, kondensasi tanin, kandungan antosianin, dan aktivitas antioksidan. Ini mengurangi aktivitas pengkelat daya dan logam.
Ultrasound (AS) dan medan listrik berdenyut (PEF) dapat digunakan untuk meningkatkan efisiensi proses dan tingkat produksi dalam proses fermentasi dengan meningkatkan perpindahan massa dan permeabilitas sel.
Kombinasi medan listrik berdenyut dan perawatan ultrasound memang berdampak pada kinetika pengeringan udara dan kualitas sayuran kering, seperti wortel. Waktu pengeringan dapat dikurangi sebesar 20 hingga 40%, sambil mempertahankan sifat rehidrasi.
Sono-Elektrokimia / Elektrokimia Ultrasonik
Tambahkan elektrolisis yang ditingkatkan secara ultrasonik untuk menghasilkan reaktan atau untuk mengonsumsi produk reaksi kimia untuk menggerakkan keseimbangan akhir reaksi kimia atau untuk mengubah jalur reaksi kimia.
Pengaturan Elektroda Ultrasonik yang Disarankan
Desain inovatif untuk ultrasonicators tipe probe mengubah sonotrode ultrasonik standar menjadi elektroda yang bergetar secara ultrasonik. Hal ini membuat ultrasound untuk elektroda lebih mudah diakses, lebih mudah diintegrasikan, dan mudah diskalakan ke tingkat produksi. Desain lain hanya mengaduk elektrolit antara dua elektroda yang tidak diaduk. Pola bayangan dan perambatan gelombang ultrasound menghasilkan hasil yang lebih rendah jika dibandingkan dengan agitasi elektroda langsung. Anda dapat menambahkan getaran ultrasound ke anoda atau katoda, masing-masing. Tentu saja, Anda dapat mengubah tegangan dan polaritas elektroda kapan saja. Elektroda Hielscher Ultrasonics mudah dipasang ke pengaturan yang ada.
Sel Sono-Elektrolit Tertutup dan Reaktor Elektrokimia
Segel kedap tekanan antara sonotrode ultrasonik (elektroda) dan bejana reaktor tersedia. Oleh karena itu, Anda dapat mengoperasikan sel elektrolitik selain tekanan sekitar. Kombinasi ultrasound dengan tekanan disebut mano-sonikasi. Ini mungkin menarik jika elektrolisis menghasilkan gas, saat bekerja pada suhu yang lebih tinggi, atau saat bekerja dengan komponen cairan yang mudah menguap. Reaktor elektrokimia yang tertutup rapat dapat beroperasi pada tekanan di atas atau di bawah tekanan sekitar. Segel antara elektroda ultrasonik dan reaktor dapat dibuat konduktif listrik atau isolasi. Yang terakhir memungkinkan untuk mengoperasikan dinding reaktor sebagai elektroda kedua. Tentu saja, reaktor dapat memiliki port inlet dan outlet untuk bertindak sebagai reaktor sel aliran untuk proses berkelanjutan. Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai reaktor standar dan sel aliran berjaket. Atau, Anda dapat memilih dari berbagai adaptor agar sesuai dengan sonotrodes Hielscher ke reaktor elektrokimia Anda.
Pengaturan Konsentris dalam Reaktor Pipa
Jika elektroda yang diaduk secara ultrasonik berada di dekat elektroda kedua yang tidak diaduk atau di dekat dinding reaktor, gelombang ultrasonik merambat melalui cairan dan gelombang ultrasound akan bekerja pada permukaan lain juga. Elektroda yang diaduk secara ultrasonik yang berorientasi konsentris dalam pipa atau dalam reaktor dapat menjaga dinding interior bebas dari pengotoran atau dari akumulasi padatan.
Suhu
Saat menggunakan sonotrode Hielscher standar sebagai elektroda, suhu elektrolit bisa antara 0 dan 80 derajat Celcius. Sonotrodes untuk suhu elektrolit lainnya dalam kisaran -273 derajat Celcius hingga 500 derajat Celcius tersedia berdasarkan permintaan. Kombinasi ultrasound dengan suhu disebut termo-sonikasi.
tinggi
Jika viskositas elektrolit menghambat perpindahan massa, pencampuran agitasi ultrasonik selama elektrolisis dapat bermanfaat karena meningkatkan transfer material ke dan dari elektroda.
Sono-Elektrolisis dengan Arus Berdenyut
Arus berdenyut pada elektroda yang diaduk secara ultrasonik menghasilkan produk yang berbeda dari arus searah (DC). Misalnya, Arus berdenyut dapat meningkatkan rasio ozon terhadap oksigen yang dihasilkan pada anoda dalam elektrolisis larutan asam berair, misalnya asam sulfat encer. Elektrolisis etanol arus berdenyut menghasilkan aldehida, bukan asam.
Peralatan untuk Electro-Sonikasi
Hielscher Ultrasonics mengembangkan peningkatan sonoelectrokimia khusus untuk transduser industri. Transduser yang ditingkatkan bekerja dengan hampir semua jenis sonotrode Hielscher.
Elektroda Ultrasonik (Sonotrodes)
Sonotrodes diisolasi secara elektrik dari generator ultrasonik. Oleh karena itu, Anda dapat menghubungkan sonotrode ultrasonik ke tegangan listrik, sehingga sonotrode dapat bertindak sebagai elektroda. Celah isolasi listrik standar antara sonotrodes dan kontak arde adalah 2,5 mm. Oleh karena itu Anda dapat menerapkan hingga 2500 volt ke sonotrode. Sonotrode standar padat dan terbuat dari Titanium. Oleh karena itu, hampir tidak ada batasan arus elektroda. Titanium menunjukkan ketahanan korosi yang baik terhadap banyak elektrolit basa atau asam. Bahan sonotrode alternatif, seperti aluminium (Al), baja (Fe), baja tahan karat, nikel-kromium-molibdenum, atau niobium dimungkinkan. Hielscher menawarkan sonotrodes anoda pengorbanan yang hemat biaya, misalnya terbuat dari aluminium atau baja.
Generator Ultrasonik, Catu Daya
Generator ultrasonik tidak memerlukan modifikasi apa pun dan menggunakan stopkontak listrik standar dengan ground. Klakson transduser dan semua permukaan eksterior transduser dan generator terhubung ke ground stopkontak, tentu saja. Sonotrode dan elemen penyangga adalah satu-satunya bagian yang terhubung ke tegangan elektroda. Ini memfasilitasi desain pengaturan. Anda dapat menghubungkan sonotrode ke arus searah (DC), arus searah berdenyut atau arus bolak-balik (AC). Elektroda ultrasonik masing-masing dapat dioperasikan sebagai anoda atau katoda.
Peralatan Produksi untuk Proses Electro-Sonikasi
Anda dapat menggunakan perangkat ultrasonik Hielscher apa pun, seperti UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT atau UIP4000hdT untuk memasangkan hingga 4000 watt daya ultrasonik ke sonotrode atau cascatrode standar apa pun. Intensitas permukaan ultrasonik pada permukaan sonotrode bisa antara 1 watt hingga 100 watt watt per sentimeter persegi. Geometri sonotrode yang berbeda dengan amplitudo dari 1 mikron hingga 150 mikron (puncak-puncak) tersedia. Frekuensi ultrasonik 20kHz sangat efektif dalam pembangkitan kavitasi dan aliran akustik dalam elektrolit. Perangkat ultrasonik Hielscher dapat beroperasi 24 jam per hari, tujuh hari seminggu. Anda dapat beroperasi terus menerus pada output daya penuh atau berdenyut, misalnya untuk pembersihan elektroda secara berkala. Hielscher Ultrasonics dapat memasok elektroda ultrasonik dengan daya ultrasonik hingga 16 kilowatt (agitasi mekanis) per elektroda tunggal. Hampir tidak ada batasan daya listrik yang dapat Anda sambungkan ke elektroda.
Satu hal lagi: Penyemprotan Sono-Elektrostatik
Hielscher Ultrasonics membuat peralatan untuk penyemprotan, nebulisasi, atomisasi atau aerosolisasi cairan. Sonotrode penyemprotan ultrasonik dapat memberikan kabut cair atau aerosol muatan positif. Ini menggabungkan penyemprotan ultrasonik dengan teknologi penyemprotan elektrostatik, misalnya untuk proses pelapisan.
Literatur / Referensi
- 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.