Elektrosonikasi – Elektrode Ultrasonik

Elektrosonikasi adalah kombinasi efek listrik dengan efek sonikasi. Hielscher Ultrasonics mengembangkan metode baru yang elegan untuk menggunakan sonotrode apa pun sebagai elektrode. Metode ini menempatkan daya ultrasonik langsung pada antarmuka antara elektrode ultrasonik dan cairan. Di sana, ultrasonik dapat mendorong elektrolisis, meningkatkan perpindahan massa, serta memecah lapisan batas atau endapan. Hielscher menyediakan peralatan kelas produksi untuk proses elektrosonikasi dalam proses batch dan inline pada skala apa pun. Anda dapat menggabungkan elektrosonikasi dengan manosonikasi (tekanan) dan termosonikasi (suhu).

Aplikasi Elektrode Ultrasonik

Penerapan ultrasonik pada elektrode merupakan teknologi baru yang bermanfaat bagi berbagai proses elektrolisis, galvanisasi, pemurnian elektrolitik, produksi hidrogen dan elektrokoagulasi, sintesis partikel, atau reaksi elektrokimia lainnya. Hielscher Ultrasonics menyediakan elektrode ultrasonik yang siap digunakan untuk penelitian dan pengembangan pada elektrolisis skala laboratorium atau skala pilot. Setelah menguji dan mengoptimalkan proses elektrolitik Anda, Anda dapat menggunakan peralatan ultrasonik skala produksi Hielscher Ultrasonics untuk meningkatkan skala hasil proses Anda ke tingkat produksi industri. Di bawah ini, Anda akan menemukan saran dan rekomendasi penggunaan elektrode ultrasonik.

Sonoelektrolisis (Elektrolisis Ultrasonik)

Elektrolisis adalah perubahan antara atom dan ion melalui pelepasan atau penambahan elektron akibat penerapan arus listrik. Produk elektrolisis dapat memiliki wujud fisik yang berbeda dari elektrolitnya. Elektrolisis dapat menghasilkan padatan, seperti endapan atau lapisan padat pada salah satu elektrode. Sebagai alternatif, elektrolisis dapat menghasilkan gas, seperti hidrogen, klorin, atau oksigen. Agitasi ultrasonik pada elektrode dapat melepaskan endapan padat dari permukaan elektrode. Penghilangan gas secara ultrasonik dengan cepat menghasilkan gelembung gas yang lebih besar dari gas terlarut dari gelembung mikro. Hal ini mempercepat pemisahan produk gas dari elektrolit.

UIP2000hdT Ultrasonik (2000 watt, 20kHz) sebagai Katode dan/atau Anode dalam Sel Elektrolitik

Perpindahan Massa pada Permukaan Elektrode yang Ditingkatkan dengan Ultrasonik

Selama proses elektrolisis, produk terakumulasi di dekat elektrode atau pada permukaan elektrode. Agitasi ultrasonik merupakan sarana yang sangat efektif untuk meningkatkan perpindahan massa pada lapisan batas. Efek ini membawa elektrolit segar bersentuhan dengan permukaan elektrode. Aliran akibat kavitasi membawa produk elektrolisis, seperti gas atau padatan, menjauh dari permukaan elektrode. Dengan demikian, pembentukan lapisan isolasi yang menghambat proses dapat dicegah.

Efek Ultrasonik terhadap Potensial Dekomposisi

Agitasi ultrasonik pada anode, katode, atau kedua elektrode dapat memengaruhi potensial dekomposisi atau tegangan dekomposisi. Kavitasi sendiri diketahui dapat memecah molekul serta menghasilkan radikal bebas atau ozon. Kombinasi kavitasi dengan elektrolisis dalam elektrolisis yang ditingkatkan dengan ultrasonik dapat memengaruhi tegangan minimum yang diperlukan antara anode dan katode suatu sel elektrolitik agar elektrolisis terjadi. Efek mekanis dan sonokimia dari kavitasi juga dapat meningkatkan efisiensi energi elektrolisis.

Ultrasonik dalam Pemurnian Elektrolitik dan Ekstraksi Elektrolitik

Dalam proses pemurnian elektrolitik, endapan logam padat, seperti tembaga, dapat diubah menjadi suspensi partikel padat dalam elektrolit. Dalam electrowinning, yang juga disebut elektroekstraksi, elektrodeposisi logam dari bijihnya dapat diubah menjadi endapan padat. Logam yang umum diperoleh melalui ekstraksi elektrolitik adalah timbal, tembaga, emas, perak, seng, aluminium, kromium, kobalt, mangan, serta logam tanah jarang dan logam alkali.
Ultrasonikasi juga merupakan sarana yang efektif untuk pelindian bijih.

Pemurnian Cairan secara Sonoelektrolitik

Murnikan cairan, misalnya larutan berair seperti air limbah, lumpur, atau sejenisnya, dengan mengalirkan larutan melalui medan listrik dari dua elektrode! Elektrolisis dapat mendisinfeksi atau memurnikan larutan berair. Pengaliran larutan NaCI bersama air melalui atau melintasi elektrode menghasilkan Cl2 atau CIO2, yang dapat mengoksidasi pengotor dan mendisinfeksi air atau larutan berair. Jika air mengandung klorida alami dalam jumlah yang cukup, penambahan tersebut tidak diperlukan.
Getaran ultrasonik pada elektrode dapat membuat lapisan batas antara elektrode dan air setipis mungkin. Hal ini dapat meningkatkan perpindahan massa hingga beberapa orde magnitudo. Getaran ultrasonik dan kavitasi secara signifikan mengurangi pembentukan gelembung mikroskopis akibat polarisasi. Penggunaan elektrode ultrasonik untuk elektrolisis meningkatkan proses pemurnian elektrolitik secara signifikan.

Sonoelektrokoagulasi (Elektrokoagulasi Ultrasonik)

Elektrokoagulasi adalah metode pengolahan air limbah untuk menghilangkan kontaminan, seperti minyak teremulsi, hidrokarbon minyak bumi total, bahan organik yang sulit diuraikan, padatan tersuspensi, dan logam berat. Ion radioaktif juga dapat dihilangkan untuk pemurnian air. Penambahan ultrasonikasi pada elektrokoagulasi, yang juga dikenal sebagai sonoelektrokoagulasi, memberikan efek positif terhadap kebutuhan oksigen kimia atau efisiensi penghilangan kekeruhan. Proses pengolahan gabungan dengan elektrokoagulasi telah menunjukkan peningkatan kinerja yang sangat besar dalam menghilangkan polutan dari air limbah industri. Integrasi tahap penghasil radikal bebas, seperti kavitasi ultrasonik, dengan elektrokoagulasi menunjukkan sinergi dan peningkatan proses pembersihan secara keseluruhan. Tujuan penggunaan sistem hibrida ultrasonik-elektrolitik ini adalah meningkatkan efisiensi pengolahan secara keseluruhan dan menghilangkan kelemahan proses pengolahan konvensional. Reaktor hibrida ultrasonik-elektrokoagulasi telah terbukti menginaktivasi Escherichia coli dalam air.

UIP2000hdT Ultrasonik (2000 watt, 20kHz) sebagai Sono-Katode dan/atau Sono-Anode dalam Tangki

Pembentukan Reagen atau Reaktan secara Sonoelektrolitik In Situ

Banyak proses kimia, seperti reaksi heterogen atau katalisis, memperoleh manfaat dari agitasi ultrasonik dan kavitasi ultrasonik. Pengaruh sonokimia dapat meningkatkan laju reaksi atau meningkatkan rendemen konversi.
Elektrode yang diagitasi secara ultrasonik menyediakan sarana baru yang ampuh untuk reaksi kimia. Kini Anda dapat menggabungkan manfaat sonokimia dengan elektrolisis. Hasilkan hidrogen, ion hidroksida, hipoklorit, serta banyak ion atau bahan netral lainnya langsung di dalam medan kavitasi ultrasonik. Produk elektrolisis dapat bertindak sebagai reagen atau reaktan dalam reaksi kimia.

Kombinasi Ultrasonik dengan Medan Listrik Berpulsa

Kombinasi medan listrik berpulsa (PEF) dan ultrasonik (US) memberikan efek positif terhadap ekstraksi senyawa fisikokimia dan bioaktif serta struktur kimia ekstrak. Dalam ekstraksi almon, perlakuan gabungan (PEF–US) menghasilkan kadar fenolik total, flavonoid total, tanin terkondensasi, kandungan antosianin, dan aktivitas antioksidan tertinggi. Perlakuan ini mengurangi daya dan aktivitas pengkelatan logam.
Ultrasonik (US) dan medan listrik berpulsa (PEF) dapat digunakan untuk meningkatkan efisiensi proses dan laju produksi dalam proses fermentasi dengan meningkatkan perpindahan massa dan permeabilitas sel.
Kombinasi perlakuan medan listrik berpulsa dan ultrasonik memengaruhi kinetika pengeringan dengan udara dan kualitas sayuran kering, seperti wortel. Waktu pengeringan dapat dikurangi sebesar 20 hingga 40%, sambil mempertahankan sifat rehidrasi.

Sonoelektrokimia / Elektrokimia Ultrasonik

Tambahkan elektrolisis yang ditingkatkan dengan ultrasonik untuk menghasilkan reaktan atau mengonsumsi produk reaksi kimia guna menggeser kesetimbangan akhir reaksi kimia atau mengubah jalur reaksi kimia.

Konfigurasi Elektrode Ultrasonik yang Disarankan

Desain inovatif untuk ultrasonikator tipe probe mengubah sonotrode ultrasonik standar menjadi elektrode yang bergetar secara ultrasonik. Hal ini menjadikan ultrasonik untuk elektrode lebih mudah diakses, lebih mudah diintegrasikan, dan mudah ditingkatkan skalanya hingga tingkat produksi. Desain lainnya hanya mengagitasi elektrolit di antara dua elektrode yang tidak diagitasi. Efek pembayangan dan pola perambatan gelombang ultrasonik menghasilkan hasil yang lebih rendah dibandingkan agitasi langsung pada elektrode. Anda dapat menambahkan getaran ultrasonik pada anode atau katode. Tentu saja, Anda dapat mengubah tegangan dan polaritas elektrode kapan saja. Elektrode Hielscher Ultrasonics mudah dipasang sebagai peningkatan pada konfigurasi yang sudah ada.

Sel Sonoelektrolitik dan Reaktor Elektrokimia Tertutup Rapat

Tersedia segel kedap tekanan antara sonotrode ultrasonik (elektrode) dan bejana reaktor. Dengan demikian, Anda dapat mengoperasikan sel elektrolitik pada tekanan yang berbeda dari tekanan lingkungan. Kombinasi ultrasonik dengan tekanan disebut manosonikasi. Hal ini dapat bermanfaat 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 lingkungan. Segel antara elektrode ultrasonik dan reaktor dapat dibuat konduktif secara listrik atau bersifat isolasi. Pilihan terakhir memungkinkan dinding reaktor dioperasikan sebagai elektrode kedua. Tentu saja, reaktor dapat memiliki port masuk dan keluar agar berfungsi sebagai reaktor sel alir untuk proses kontinu. Hielscher Ultrasonics menawarkan beragam reaktor standar dan sel alir berjaket. Sebagai alternatif, Anda dapat memilih dari berbagai adaptor untuk memasang sonotrode Hielscher pada reaktor elektrokimia Anda.

Susunan Konsentris dalam Reaktor Pipa

Jika elektrode yang diagitasi secara ultrasonik berada di dekat elektrode kedua yang tidak diagitasi atau di dekat dinding reaktor, gelombang ultrasonik merambat melalui cairan dan juga bekerja pada permukaan lainnya. Elektrode yang diagitasi secara ultrasonik dan ditempatkan secara konsentris dalam pipa atau reaktor dapat menjaga dinding bagian dalam bebas dari pengotoran atau akumulasi padatan.

Suhu

Saat menggunakan sonotrode standar Hielscher sebagai elektrode, suhu elektrolit dapat berada di antara 0 dan 80 derajat Celsius. Sonotrode untuk suhu elektrolit lainnya dalam rentang -273 derajat Celsius hingga 500 derajat Celsius tersedia berdasarkan permintaan. Kombinasi ultrasonik dengan suhu disebut termosonikasi.

Viskositas

Jika viskositas elektrolit menghambat perpindahan massa, pencampuran dengan agitasi ultrasonik selama elektrolisis dapat bermanfaat karena meningkatkan perpindahan bahan menuju dan dari elektrode.

Sonoelektrolisis dengan Arus Berdenyut

Arus berdenyut pada elektrode yang diagitasi secara ultrasonik menghasilkan produk yang berbeda dari arus searah (DC). Misalnya, arus berdenyut dapat meningkatkan rasio ozon terhadap oksigen yang dihasilkan pada anode dalam elektrolisis larutan asam berair, misalnya asam sulfat encer. Elektrolisis etanol dengan arus berpulsa menghasilkan aldehida, alih-alih terutama menghasilkan asam.

Peralatan untuk Elektrosonikasi

Hielscher Ultrasonics mengembangkan peningkatan sonоelektrokimia khusus untuk transduser industri. Transduser yang telah ditingkatkan ini bekerja dengan hampir semua jenis sonotrode Hielscher.

Elektrode Ultrasonik (Sonotrode)

Sonotrode diisolasi secara listrik dari generator ultrasonik. Oleh karena itu, Anda dapat menghubungkan sonotrode ultrasonik ke tegangan listrik sehingga sonotrode dapat bertindak sebagai elektrode. Celah isolasi listrik standar antara sonotrode dan kontak pembumian adalah 2,5 mm. Dengan demikian, Anda dapat menerapkan hingga 2500 volt pada sonotrode. Sonotrode standar berbentuk padat dan terbuat dari titanium. Oleh karena itu, hampir tidak ada batasan untuk arus elektrode. 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 dapat digunakan. Hielscher menawarkan sonotrode anode korban yang ekonomis, misalnya yang terbuat dari aluminium atau baja.

Generator Ultrasonik, Catu Daya

Generator ultrasonik tidak memerlukan modifikasi apa pun dan menggunakan stopkontak listrik standar dengan pembumian. Tentu saja, horn transduser dan seluruh permukaan luar transduser serta generator terhubung ke pembumian stopkontak. Sonotrode dan elemen penyangga merupakan satu-satunya bagian yang terhubung ke tegangan elektrode. Hal ini memudahkan perancangan konfigurasi. Anda dapat menghubungkan sonotrode ke arus searah (DC), arus searah berdenyut, atau arus bolak-balik (AC). Elektrode ultrasonik dapat dioperasikan sebagai anode atau katode.

Peralatan Produksi untuk Proses Elektrosonikasi

Anda dapat menggunakan perangkat ultrasonik Hielscher apa pun, seperti UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, atau UIP4000hdT, untuk mengopel daya ultrasonik hingga 4000 watt ke sonotrode atau cascatrode standar apa pun. Intensitas ultrasonik pada permukaan sonotrode dapat berkisar antara 1 watt hingga 100 watt watt per sentimeter persegi. Tersedia berbagai geometri sonotrode dengan amplitudo dari 1 mikron hingga 150 mikron (puncak ke puncak). Frekuensi ultrasonik 20kHz sangat efektif dalam menghasilkan kavitasi dan aliran akustik dalam elektrolit. Perangkat ultrasonik Hielscher dapat beroperasi 24 jam per hari, tujuh hari seminggu. Anda dapat mengoperasikannya secara kontinu pada keluaran daya penuh atau secara berpulsa, misalnya untuk pembersihan elektrode secara berkala. Hielscher Ultrasonics dapat menyediakan elektrode ultrasonik dengan daya ultrasonik hingga 16 kilowatt (agitasi mekanis) per elektrode tunggal. Hampir tidak ada batasan untuk daya listrik yang dapat Anda hubungkan ke elektrode.

Satu Hal Lagi: Penyemprotan Sonoelektrostatik

Hielscher Ultrasonics membuat peralatan untuk penyemprotan, nebulisasi, atomisasi, atau aerosolisasi cairan. Sonotrode penyemprotan ultrasonik dapat memberikan muatan positif pada kabut cairan atau aerosol. Hal ini menggabungkan penyemprotan ultrasonik dengan teknologi penyemprotan elektrostatik, misalnya untuk proses pelapisan.

Literatur / Referensi

• 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.