Sonoelektrokimia dan Keunggulannya

Di sini Anda akan menemukan semua yang perlu diketahui tentang elektrokimia ultrasonik (sonoelektrokimia): prinsip kerja, aplikasi, keunggulan, dan peralatan sonoelektrokimia – semua informasi relevan tentang sonoelektrokimia dalam satu halaman.

Mengapa Menerapkan Ultrasonik pada Elektrokimia?

Kombinasi gelombang ultrasonik berfrekuensi rendah dan berintensitas tinggi dengan sistem elektrokimia memberikan beragam manfaat yang meningkatkan efisiensi dan laju konversi reaksi elektrokimia.

Prinsip Kerja Ultrasonik

Untuk pemrosesan ultrasonik berkinerja tinggi, gelombang ultrasonik berintensitas tinggi dan berfrekuensi rendah dihasilkan oleh generator ultrasonik dan ditransmisikan melalui probe ultrasonik (sonotrode) ke dalam cairan. Ultrasonik berdaya tinggi dianggap sebagai ultrasonik dalam rentang 16–30kHz. Probe ultrasonik mengembang dan menyusut, misalnya pada 20kHz, sehingga mentransmisikan 20.000 getaran per detik ke dalam medium. Ketika gelombang ultrasonik merambat melalui cairan, siklus tekanan tinggi (kompresi) / tekanan rendah (rarefaksi atau ekspansi) yang bergantian menciptakan gelembung vakum atau rongga sangat kecil, yang membesar selama beberapa siklus tekanan. Selama fase kompresi cairan dan gelembung, tekanannya positif, sedangkan fase rarefaksi menghasilkan vakum (tekanan negatif). Selama siklus kompresi dan ekspansi, rongga dalam cairan membesar hingga mencapai ukuran ketika rongga tersebut tidak dapat lagi menyerap energi. Pada titik ini, rongga tersebut runtuh ke dalam dengan dahsyat. Keruntuhan rongga tersebut menghasilkan berbagai efek berenergi sangat tinggi yang dikenal sebagai fenomena kavitasi akustik / ultrasonik. Kavitasi akustik ditandai oleh beragam efek berenergi sangat tinggi yang memengaruhi cairan, sistem padat/cair, serta sistem gas/cair. Zona dengan kerapatan energi tinggi atau zona kavitasi dikenal sebagai zona titik panas, yang kerapatan energinya paling tinggi di sekitar probe ultrasonik dan menurun seiring bertambahnya jarak dari sonotrode. Karakteristik utama kavitasi ultrasonik mencakup suhu dan tekanan sangat tinggi yang terjadi secara lokal beserta perbedaannya masing-masing, turbulensi, dan aliran cairan. Selama keruntuhan rongga ultrasonik di titik panas ultrasonik, dapat diukur suhu hingga 5000 Kelvin, tekanan hingga 200 atmosfer, dan semburan cairan dengan kecepatan hingga 1000km/h. Kondisi luar biasa dengan intensitas energi tinggi ini berkontribusi terhadap efek sonomekanis dan sonokimia yang mengintensifkan sistem elektrokimia dengan berbagai cara.

Efek Ultrasonik pada Sistem Elektrokimia

Penerapan ultrasonikasi pada reaksi elektrokimia dikenal memiliki berbagai efek pada elektrode, yaitu anode dan katode, serta larutan elektrolit. Kavitasi ultrasonik dan aliran akustik menghasilkan gerakan mikro yang signifikan, semburan cairan yang menghantam, dan agitasi dalam fluida reaksi. Hal ini meningkatkan hidrodinamika dan pergerakan campuran cair/padat. Kavitasi ultrasonik mengurangi ketebalan efektif lapisan difusi pada elektrode. Berkurangnya lapisan difusi berarti sonikasi meminimalkan perbedaan konsentrasi, sehingga konsentrasi di sekitar elektrode dan nilai konsentrasi dalam larutan ruah semakin mendekati satu sama lain berkat ultrasonik. Pengaruh agitasi ultrasonik terhadap gradien konsentrasi selama reaksi memastikan pasokan larutan segar secara terus-menerus ke elektrode dan pengangkutan material yang telah bereaksi menjauhinya. Artinya, sonikasi memperbaiki kinetika secara keseluruhan dengan mempercepat laju reaksi dan meningkatkan rendemen reaksi.
Dengan memasukkan energi ultrasonik ke dalam sistem serta membentuk radikal bebas secara sonokimia, reaksi elektrokimia yang tanpa perlakuan ini akan tetap tidak aktif secara elektrokimia dapat diinisiasi. Efek penting lainnya dari getaran dan aliran akustik adalah efek pembersihan pada permukaan elektrode. Lapisan pasivasi dan pengotoran pada elektrode membatasi efisiensi dan laju reaksi elektrokimia. Ultrasonikasi menjaga elektrode tetap bersih dan sepenuhnya aktif untuk bereaksi secara terus-menerus. Ultrasonikasi dikenal luas karena efek penghilangan gasnya, yang juga bermanfaat dalam reaksi elektrokimia. Dengan menghilangkan gas yang tidak diinginkan dari cairan, reaksi dapat berlangsung lebih efektif.

Aplikasi Sonoelektrokimia

Sonoelektrokimia dapat diterapkan pada berbagai proses dan di berbagai industri. Aplikasi sonoelektrokimia yang sangat umum meliputi:

• Sintesis nanopartikel (elektrosintesis)
• Sintesis hidrogen
• Elektrokoagulasi
• Pengolahan air limbah
• Pemecahan emulsi
• Pelapisan listrik / Elektrodeposisi
• Pemanasan Ohmik

Sintesis Nanopartikel secara Sonoelektrokimia

Ultrasonikasi telah berhasil diterapkan untuk menyintesis berbagai nanopartikel dalam sistem elektrokimia. Magnetit, nanotabung kadmium-selenium (CdSe), nanopartikel (NP) platinum, NP emas, magnesium logam, bismutena, nanoperak, tembaga ultrahalus, nanopartikel paduan tungsten–kobalt (W–Co), nanokomposit samaria/grafena oksida tereduksi, nanopartikel tembaga berukuran di bawah 1nm yang dilapisi poli(asam akrilat), dan banyak serbuk berukuran nano lainnya telah berhasil diproduksi menggunakan sonoelektrokimia.
Keunggulan sintesis nanopartikel secara sonoelektrokimia meliputi

• tidak diperlukannya zat pereduksi dan surfaktan
• penggunaan air sebagai pelarut
• penyesuaian ukuran nanopartikel dengan memvariasikan parameter (daya ultrasonik, rapat arus, potensial deposisi, dan durasi pulsa ultrasonik dibandingkan dengan pulsa elektrokimia)

Ashasssi-Sorkhabi dan Bagheri (2014) menyintesis film polipirol secara sonoelektrokimia dan membandingkan hasilnya dengan film polipirol yang disintesis secara elektrokimia. Hasilnya menunjukkan bahwa sonoelektrodeposisi galvanostatik menghasilkan film polipirol (PPy) yang melekat kuat dan halus pada baja, dengan rapat arus 4 mA cm–2 dalam larutan asam oksalat 0,1 M/pirol 0,1 M. Dengan menggunakan polimerisasi sonoelektrokimia, mereka memperoleh film PPy berketahanan tinggi dan tangguh dengan permukaan halus. Telah ditunjukkan bahwa lapisan PPy yang dibuat secara sonoelektrokimia memberikan perlindungan korosi yang substansial pada baja St-12. Lapisan yang disintesis seragam dan menunjukkan ketahanan korosi yang tinggi. Semua hasil ini dapat dikaitkan dengan fakta bahwa ultrasonik meningkatkan perpindahan massa reaktan dan menghasilkan laju reaksi kimia yang tinggi melalui kavitasi akustik serta suhu dan tekanan tinggi yang dihasilkannya. Validitas data impedansi untuk antarmuka baja St-12/dua lapisan PPy/media korosif diperiksa menggunakan transformasi KK, dan ditemukan kesalahan rata-rata yang rendah.

Hass dan Gedanken (2008) melaporkan keberhasilan sintesis nanopartikel magnesium logam secara sonoelektrokimia. Efisiensi dalam proses sonoelektrokimia reagen Gringard dalam tetrahidrofuran (THF) atau dalam larutan dibutildiglim masing-masing adalah 41,35% dan 33,08%. Penambahan AlCl3 ke dalam larutan Gringard meningkatkan efisiensi secara drastis, menjadi 82,70% dan 51,69% masing-masing dalam THF atau dibutildiglim.

Produksi Hidrogen secara Sonoelektrokimia

Elektrolisis yang ditingkatkan dengan ultrasonik secara signifikan meningkatkan rendemen hidrogen dari air atau larutan basa. Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang sintesis hidrogen elektrolitik yang dipercepat dengan ultrasonik!

Elektrokoagulasi Berbantuan Ultrasonik

Penerapan ultrasonik berfrekuensi rendah pada sistem elektrokoagulasi dikenal sebagai sonoelektrokoagulasi. Studi menunjukkan bahwa sonikasi memengaruhi elektrokoagulasi secara positif, misalnya menghasilkan efisiensi penyisihan hidroksida besi dari air limbah yang lebih tinggi. Dampak positif ultrasonik pada elektrokoagulasi dijelaskan oleh berkurangnya pasivasi elektrode. Ultrasonik berfrekuensi rendah dan berintensitas tinggi menghancurkan lapisan padat yang mengendap dan menghilangkannya secara efisien, sehingga menjaga elektrode terus-menerus sepenuhnya aktif. Selain itu, ultrasonik mengaktifkan kedua jenis ion, yaitu kation dan anion, yang terdapat di zona reaksi elektrode. Agitasi ultrasonik menghasilkan gerakan mikro yang kuat dalam larutan, yang memasok dan mengangkut bahan baku serta produk menuju dan menjauhi elektrode.
Contoh proses sonoelektrokoagulasi yang berhasil adalah reduksi Cr(VI) menjadi Cr(III) dalam air limbah farmasi, penyisihan fosfor total dari efluen industri kimia halus dengan efisiensi penyisihan fosfor sebesar 99,5% dalam 10 menit, penyisihan warna dan COD dari efluen industri pulp dan kertas, dan sebagainya. Efisiensi penyisihan yang dilaporkan untuk warna, COD, Cr(VI), Cu(II), dan P masing-masing adalah 100%, 95%, 100%, 97,3%, dan 99,84%. (lih. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradasi Polutan secara Sonoelektrokimia

Reaksi oksidasi dan/atau reduksi elektrokimia yang ditingkatkan dengan ultrasonik diterapkan sebagai metode yang ampuh untuk mendegradasi polutan kimia. Mekanisme sonomekanis dan sonokimia mendorong degradasi polutan secara elektrokimia. Kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik menghasilkan agitasi intensif, pencampuran mikro, perpindahan massa, dan penghilangan lapisan pasivasi dari elektrode. Efek kavitasi ini terutama meningkatkan perpindahan massa padat-cair antara elektrode dan larutan. Efek sonokimia berdampak langsung pada molekul. Pemutusan molekul secara homolitik menghasilkan oksidan yang sangat reaktif. Dalam media berair dan dengan adanya oksigen, dihasilkan radikal seperti HO•, HO2•, dan O•. Radikal •OH diketahui penting untuk dekomposisi bahan organik secara efisien. Secara keseluruhan, degradasi sonoelektrokimia menunjukkan efisiensi tinggi dan cocok untuk pengolahan aliran air limbah bervolume besar serta cairan tercemar lainnya.
Sebagai contoh, Lllanos et al. (2016) menemukan bahwa efek sinergis yang signifikan diperoleh untuk disinfeksi air ketika sistem elektrokimia diintensifkan dengan sonikasi (disinfeksi sonoelektrokimia). Peningkatan laju disinfeksi ini ditemukan berkaitan dengan penekanan aglomerat sel E. coli serta peningkatan produksi spesies disinfektan. Esclapez et al. (2010) menunjukkan bahwa ketika reaktor sonoelektrokimia yang dirancang khusus (namun belum dioptimalkan) digunakan selama peningkatan skala degradasi asam trikloroasetat (TCAA), keberadaan medan ultrasonik yang dihasilkan dengan UIP1000hd memberikan hasil yang lebih baik (konversi fraksional 97%, efisiensi degradasi 26%, selektivitas 0,92, dan efisiensi arus 8%) pada intensitas ultrasonik dan laju alir volumetrik yang lebih rendah. Mengingat reaktor sonoelektrokimia prapercontohan tersebut belum dioptimalkan, hasil ini sangat mungkin masih dapat ditingkatkan lebih lanjut.

Voltametri dan Elektrodeposisi Ultrasonik

Elektrodeposisi dilakukan secara galvanostatik pada rapat arus 15 mA/cm2. Larutan diberi perlakuan ultrasonikasi sebelum elektrodeposisi selama 5–60 menit. Perangkat Hielscher UP200S berupa sonikator tipe probe digunakan pada waktu siklus 0,5. Ultrasonikasi dilakukan dengan mencelupkan probe ultrasonik langsung ke dalam larutan. Untuk mengevaluasi dampak ultrasonik pada larutan sebelum elektrodeposisi, voltametri siklik (CV) digunakan guna mengungkap perilaku larutan dan memungkinkan prediksi kondisi ideal untuk elektrodeposisi. Teramati bahwa ketika larutan diberi perlakuan ultrasonikasi sebelum elektrodeposisi, deposisi dimulai pada nilai potensial yang kurang negatif. Artinya, pada arus yang sama dalam larutan, diperlukan potensial yang lebih rendah karena spesies dalam larutan berperilaku lebih aktif dibandingkan dengan spesies dalam larutan yang tidak diberi perlakuan ultrasonikasi. (lih. Yurdal & Karahan 2017)
Baca lebih lanjut tentang deposisi sonoelektrokimia untuk lapisan yang ditingkatkan dengan teknologi nano!

Probe Elektrokimia Berkinerja Tinggi dan SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics adalah mitra Anda yang berpengalaman selama bertahun-tahun dalam sistem ultrasonik berkinerja tinggi. Kami memproduksi dan mendistribusikan probe serta reaktor ultrasonik mutakhir yang digunakan di seluruh dunia untuk aplikasi tugas berat dalam lingkungan dengan tuntutan tinggi. Untuk sonoelektrokimia, Hielscher telah mengembangkan probe ultrasonik khusus yang dapat berfungsi sebagai katode dan/atau anode, serta sel reaktor ultrasonik yang sesuai untuk reaksi elektrokimia. Elektrode dan sel ultrasonik tersedia untuk sistem galvanik / volta maupun sistem elektrolitik.

Amplitudo yang Dapat Dikontrol secara Presisi untuk Hasil Optimal

Semua prosesor ultrasonik Hielscher dapat dikontrol secara presisi sehingga menjadi perangkat andalan dalam penelitian dan pengembangan serta produksi. Amplitudo merupakan salah satu parameter proses penting yang memengaruhi efisiensi dan efektivitas reaksi yang diinduksi secara sonokimia dan sonomekanis. Semua prosesor Hielscher Ultrasonics memungkinkan pengaturan amplitudo secara presisi. Prosesor ultrasonik industri Hielscher dapat menghasilkan amplitudo sangat tinggi dan menyediakan intensitas ultrasonik yang diperlukan untuk aplikasi sonoelektrokimia dengan tuntutan tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dipertahankan secara terus-menerus dalam operasi 24/7.
Pengaturan amplitudo yang presisi dan pemantauan parameter proses ultrasonik secara terus-menerus melalui perangkat lunak cerdas memungkinkan Anda memengaruhi reaksi sonoelektrokimia secara presisi. Selama setiap proses sonikasi, semua parameter ultrasonik secara otomatis direkam pada kartu SD bawaan, sehingga setiap proses dapat dievaluasi dan dikontrol. Sonikasi optimal untuk reaksi sonoelektrokimia yang paling efisien!
Semua peralatan dirancang untuk penggunaan 24/7/365 pada beban penuh, dan kekokohan serta keandalannya menjadikannya perangkat andalan dalam proses elektrokimia Anda. Hal ini menjadikan peralatan ultrasonik Hielscher alat kerja yang andal untuk memenuhi kebutuhan proses sonoelektrokimia Anda.

Kualitas Tertinggi – Dirancang dan Diproduksi di Jerman

Sebagai perusahaan yang dimiliki dan dikelola keluarga, Hielscher memprioritaskan standar kualitas tertinggi untuk prosesor ultrasoniknya. Semua sonikator dirancang, diproduksi, dan diuji secara menyeluruh di kantor pusat kami di Teltow dekat Berlin, Jerman. Kekokohan dan keandalan peralatan ultrasonik Hielscher menjadikannya perangkat andalan dalam produksi Anda. Operasi 24/7 pada beban penuh dan dalam lingkungan dengan tuntutan tinggi merupakan karakteristik bawaan probe dan reaktor ultrasonik berkinerja tinggi Hielscher.

Hubungi kami sekarang dan sampaikan kebutuhan proses elektrokimia Anda! Kami akan merekomendasikan elektrode ultrasonik dan konfigurasi reaktor yang paling sesuai untuk Anda!