Sono-Elektrokimia dan Kelebihannya

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

Mengapa Menerapkan Ultrasonik pada Elektrokimia?

Kombinasi gelombang ultrasound frekuensi rendah dan intensitas tinggi dengan sistem elektrokimia hadir dengan berbagai manfaat, yang meningkatkan efisiensi dan tingkat konversi reaksi elektrokimia.

Prinsip Kerja Ultrasonik

Untuk pemrosesan ultrasonik berkinerja tinggi, ultrasound intensitas tinggi, frekuensi rendah dihasilkan oleh generator ultrasound dan ditransmisikan melalui probe ultrasonik (sonotrode) ke dalam cairan. Ultrasonografi berdaya tinggi dianggap sebagai ultrasound dalam kisaran 16-30kHz. Probe ultrasound mengembang dan berkontraksi misalnya, pada 20kHz, sehingga mentransmisikan masing-masing 20.000 getaran per detik ke dalam medium. Ketika gelombang ultrasonik bergerak melalui cairan, siklus tekanan tinggi (kompresi) / tekanan rendah (rarefaction atau ekspansi) bergantian menciptakan gelembung atau rongga vakum kecil, yang tumbuh selama beberapa siklus tekanan. Selama fase kompresi cairan dan gelembung, tekanannya positif, sedangkan fase rarefaction menghasilkan vakum (tekanan negatif). Selama siklus kompresi-ekspansi, rongga dalam cairan tumbuh sampai mencapai ukuran, di mana mereka tidak dapat menyerap lebih banyak energi. Pada titik ini, mereka meledak dengan keras. Ledakan rongga tersebut menghasilkan berbagai efek yang sangat energik, yang dikenal sebagai fenomena kavitasi akustik / ultrasonik. Kavitasi akustik ditandai dengan berbagai efek yang sangat energik, yang berdampak pada cairan, sistem padat/cair serta sistem gas/cair. Zona padat energi atau zona kavitasi dikenal sebagai apa yang disebut zona titik panas, yang paling padat energi di sekitar probe ultrasonik dan menurun dengan bertambahnya jarak dari sonotrode. Karakteristik utama kavitasi ultrasonik meliputi suhu dan tekanan yang sangat tinggi yang terjadi secara lokal dan masing-masing diferensial, turbulensi, dan aliran cairan. Selama ledakan rongga ultrasonik di titik panas ultrasonik, suhu hingga 5000 Kelvin, tekanan hingga 200 atmosfer dan jet cair hingga 1000km / jam dapat diukur. Kondisi intensitas energi yang luar biasa ini berkontribusi pada efek sonomekanik dan sonokimia yang mengintensifkan sistem elektrokimia dengan berbagai cara.

Efek Ultrasonik pada Sistem Elektrokimia

Penerapan ultrasonikasi pada reaksi elektrokimia dikenal karena berbagai efek pada elektroda, yaitu anoda dan katoda, serta larutan elektrolitik. Kavitasi ultrasonik dan aliran akustik menghasilkan gerakan mikro yang signifikan, menabrak jet cairan dan agitasi ke dalam cairan reaksi. Hal ini menghasilkan peningkatan hidrodinamika dan pergerakan campuran cair/padat. Kavitasi ultrasonik mengurangi ketebalan efektif lapisan difusi pada elektroda. Lapisan difusi yang berkurang berarti bahwa sonikasi meminimalkan perbedaan konsentrasi, yang berarti konvergensi konsentrasi di sekitar elektroda dan nilai konsentrasi dalam larutan curah dipromosikan secara ultrasonik. Pengaruh agitasi ultrasonik pada gradien konsentrasi selama reaksi memastikan pengumpanan permanen larutan segar ke elektroda dan mengangkut bahan yang direaksikan. Ini berarti sonikasi meningkatkan kinetika keseluruhan mempercepat laju reaksi dan meningkatkan hasil reaksi.
Dengan pengenalan energi ultrasonik ke dalam sistem serta pembentukan sonokimia radikal bebas, reaksi elektrokimia, yang jika tidak akan menjadi elektroinaktif, dapat dimulai. 
Efek penting lainnya dari getaran dan aliran akustik adalah efek pembersihan pada permukaan elektroda. Lapisan pasif dan pengotoran pada elektroda membatasi efisiensi dan laju reaksi reaksi elektrokimia. Ultrasonikasi menjaga elektroda tetap bersih dan aktif penuh untuk reaksi. Ultrasonication terkenal dengan efek degassingnya, yang juga bermanfaat dalam reaksi elektrokimia. Menghilangkan gas yang tidak diinginkan dari cairan, reaksi dapat berjalan lebih berkhasiat.

Aplikasi Sonoelectrochemistry

Sonoelectrochemistry dapat diterapkan pada berbagai proses dan di industri yang berbeda. Aplikasi sonoelectrokimia yang sangat umum meliputi:

• Sintesis nanopartikel (elektrosintesis)
• sintesis hidrogen
• elektrokoagulasi
• Pengolahan air limbah
• Memecahkan emulsi
• Elektroplating / Elektrodeposisi
• pemanasan ohmik

Sintesis Sono-Elektrokimia Nanopartikel

Ultrasonikasi berhasil diterapkan untuk mensintesis berbagai nanopartikel dalam sistem elektrokimia. Magnetit, nanotube kadmium-selenium (CdSe), nanopartikel platinum (NP), NP emas, magnesium logam, bismutena, nano-perak, tembaga ultra-halus, nanopartikel paduan tungsten-kobalt (W-Co), nanokomposit samaria/graphene oxide tereduksi, nanopartikel tembaga bertutup poli (asam akrilik) sub-1nm dan banyak bubuk berukuran nano lainnya telah berhasil diproduksi menggunakan sonoelectrochemistry.
Keuntungan dari sintesis nanopartikel sonoelektrokimia meliputi

• Menghindari agen pereduksi dan surfaktan
• Penggunaan air sebagai pelarut
• Penyesuaian ukuran nanopartikel dengan berbagai parameter (daya ultrasonik, kerapatan arus, potensial pengendapan dan waktu pulsa ultrasonik vs elektrokimia)

Ashasssi-Sorkhabi dan Bagheri (2014) mensintesis film polipirol secara sonoelektrokimia dan membandingkan hasilnya dengan film polipirol yang disintesis secara elektrokimia. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sonoelektrodeposisi galvanostatik menghasilkan film polipirol (PPy) yang sangat melekat dan halus pada baja, dengan kerapatan arus 4 mA cm–2 dalam larutan asam oksalat 0,1 M/pirrole 0,1 M. Dengan menggunakan polimerisasi sonoelectrokimia, mereka memperoleh film PPy yang tahan tinggi dan tangguh dengan permukaan halus. Telah terbukti bahwa pelapis PPy yang disiapkan oleh sonoelectrochemistry 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 ultrasound meningkatkan perpindahan massa reaktan dan menyebabkan laju reaksi kimia yang tinggi melalui kavitasi akustik dan suhu dan tekanan tinggi yang dihasilkan. Validitas data impedansi untuk baja St-12/dua lapisan PPy/antarmuka media korosif diperiksa menggunakan transformasi KK, dan kesalahan rata-rata rendah diamati.

Hass dan Gedanken (2008) melaporkan keberhasilan sintesis sono-elektrokimia nanopartikel magnesium logam. Efisiensi dalam proses sonoelektrokimia reagen Gringard dalam tetrahydrofuran (THF) atau dalam larutan dibutyldiglyme masing-masing adalah 41,35% dan 33,08%. Menambahkan AlCl3 ke larutan Gringard meningkatkan efisiensi secara dramatis, masing-masing menaikkannya menjadi 82,70% dan 51,69% dalam THF atau dibutyldiglyme.

Produksi Hidrogen Sono-Elektrokimia

Elektrolisis yang dipromosikan secara ultrasonik secara signifikan meningkatkan hasil hidrogen dari air atau larutan alkali. Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang sintesis hidrogen elektrolitik yang dipercepat secara ultrasonik!

Elektrokoagulasi Berbantuan Ultrasonik

Penerapan ultrasound frekuensi rendah pada sistem elektrokoagulasi dikenal sebagai sono-elektrokoagulasi. Studi menunjukkan bahwa sonikasi mempengaruhi elektrokoagulasi yang menghasilkan secara positif misalnya, dalam efisiensi penghilangan besi hidroksida yang lebih tinggi dari air limbah. Dampak positif ultrasonik pada elektrokoagulasi dijelaskan oleh pengurangan pasivasi elektroda. Ultrasonografi frekuensi rendah dan intensitas tinggi menghancurkan lapisan padat yang disimpan dan menghilangkannya secara efisien, sehingga menjaga elektroda terus aktif sepenuhnya. Selanjutnya, ultrasonik mengaktifkan kedua jenis ion, yaitu kation dan anion, yang ada di zona reaksi elektroda. Agitasi ultrasonik menghasilkan gerakan mikro yang tinggi dari larutan yang memberi makan dan membawa bahan baku dan produk ke dan dari elektroda.
Contoh untuk proses elektrokoagulasi sono yang sukses adalah pengurangan Cr (VI) menjadi Cr (III) dalam air limbah farmasi, penghilangan fosfor total dari limbah industri kimia halus dengan efisiensi penghilangan fosfor adalah 99,5% dalam waktu 10 menit, penghilangan warna dan COD dari limbah industri pulp dan kertas dll. Efisiensi penghilangan 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 Sono-Elektrokimia

Reaksi oksidasi dan / atau reduksi elektrokimia yang dipromosikan secara ultrasonik diterapkan sebagai metode yang ampuh untuk mendegradasi polutan kimia. Mekanisme sonomekanik dan sonokimia mempromosikan degradasi elektrokimia polutan. Kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik menghasilkan agitasi yang intens, pencampuran mikro, perpindahan massa, dan penghapusan lapisan pasivasi dari elektroda. Efek kavitasi ini menghasilkan terutama peningkatan perpindahan massa padat-cair antara elektroda dan larutan. Efek sonokimia secara langsung memengaruhi molekul. Pembelahan molekul homolitik menciptakan oksidan yang sangat reaktif. Dalam media berair dan dengan adanya oksigen, radikal seperti HO•, HO2• dan O• dihasilkan. • Radikal OH diketahui penting untuk dekomposisi bahan organik yang efisien. Secara keseluruhan, degradasi sono-elektrokimia menunjukkan efisiensi tinggi dan cocok untuk pengolahan aliran air limbah dalam jumlah besar dan cairan tercemar lainnya.
Misalnya, Lllanos et al. (2016) menemukan bahwa efek sinergis yang signifikan diperoleh untuk desinfeksi air ketika sistem elektrokimia diintensifkan dengan sonikasi (desinfeksi sono-elektrokimia). Peningkatan tingkat desinfeksi ini ditemukan terkait dengan penekanan aglomerat sel E. serta peningkatan produksi spesies disinfektan. 
Esclapez et al. (2010) menunjukkan bahwa reaktor sonoelektrokimia yang dirancang khusus (namun tidak dioptimalkan) digunakan selama peningkatan degradasi asam trikloroasetat (TCAA), keberadaan medan ultrasound 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 yang lebih rendah dan aliran volumetrik. Mempertimbangkan fakta, bahwa reaktor sonoelektrokimia pra-percontohan belum dioptimalkan, kemungkinan besar hasil ini dapat ditingkatkan lebih lanjut.

Voltammetri Ultrasonik dan Elektrodeposisi

Elektrodeposisi dilakukan secara galvanostatik pada kerapatan arus 15 mA/cm2. Larutan dikenai ultrasonikasi sebelum elektrodeposisi selama 5-60 menit. Seorang Hielscher Ultrasonicator tipe probe UP200S digunakan pada waktu siklus 0,5. Ultrasonikasi dicapai dengan langsung mencelupkan probe ultrasound ke dalam larutan. Untuk mengevaluasi dampak ultrasonik pada larutan sebelum elektrodeposisi, voltammetri siklik (CV) digunakan untuk mengungkapkan perilaku larutan dan memungkinkan untuk memprediksi kondisi ideal untuk elektrodeposisi. Diamati bahwa ketika larutan mengalami ultrasonikasi sebelum elektrodeposisi, pengendapan dimulai pada nilai potensial negatif yang lebih sedikit. Ini berarti bahwa pada arus yang sama dalam larutan lebih sedikit potensial yang dibutuhkan, karena spesies dalam larutan berperilaku lebih aktif daripada yang tidak ultrasonikasi. (lih. Yurdal & Karahan 2017)
Baca lebih lanjut tentang deposisi sonoelektrokimia dari lapisan yang disempurnakan secara nano!

Probe Elektrokimia Kinerja Tinggi dan SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics adalah mitra berpengalaman lama Anda untuk sistem ultrasonik berkinerja tinggi. Kami memproduksi dan mendistribusikan probe dan reaktor ultrasonik canggih, yang digunakan di seluruh dunia untuk aplikasi tugas berat di lingkungan yang menuntut. Untuk sonoelectrochemistry, Hielscher telah mengembangkan probe ultrasonik khusus, yang dapat bertindak sebagai katoda dan/atau anoda, serta sel reaktor ultrasonik yang cocok untuk reaksi elektrokimia. Elektroda dan sel ultrasonik tersedia untuk sistem galvanik / voltaik serta elektrolitik.

Amplitudo yang dapat dikontrol secara tepat untuk hasil yang optimal

Semua prosesor ultrasonik Hielscher dapat dikontrol secara tepat dan dengan demikian kuda kerja yang andal di R&D dan produksi. Amplitudo adalah salah satu parameter proses penting yang mempengaruhi efisiensi dan efektivitas reaksi yang diinduksi secara sonokimia dan sonomekanis. Semua Ultrasonik Hielscher’ prosesor memungkinkan pengaturan amplitudo yang tepat. Prosesor ultrasonik industri Hielscher dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi dan memberikan intensitas ultrasonik yang diperlukan untuk aplikasi sono-elektrokal yang menuntut. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan terus menerus dalam operasi 24/7.
Pengaturan amplitudo yang tepat dan pemantauan permanen parameter proses ultrasonik melalui perangkat lunak pintar memberi Anda kemungkinan untuk memengaruhi reaksi sonoelektrokimia dengan tepat. Selama setiap sonikasi berjalan, 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 dibuat untuk penggunaan 24/7/365 di bawah beban penuh dan kekokohan serta keandalannya menjadikannya kuda kerja dalam proses elektrokimia Anda. Hal ini menjadikan peralatan ultrasonik Hielscher sebagai alat kerja yang andal yang memenuhi persyaratan proses sonoelectrokimia Anda.

Kualitas Tertinggi – Dirancang dan Diproduksi di Jerman

Sebagai bisnis milik keluarga dan dikelola keluarga, Hielscher memprioritaskan standar kualitas tertinggi untuk prosesor ultrasoniknya. Semua ultrasonicator dirancang, diproduksi dan diuji secara menyeluruh di kantor pusat kami di Teltow dekat Berlin, Jerman. Kekokohan dan keandalan peralatan ultrasonik Hielscher menjadikannya kuda kerja dalam produksi Anda. Operasi 24/7 di bawah beban penuh dan di lingkungan yang menuntut adalah karakteristik alami dari probe dan reaktor ultrasonik berkinerja tinggi Hielscher.

Hubungi kami sekarang dan beri tahu kami tentang persyaratan proses elektrokimia Anda! Kami akan merekomendasikan Anda elektroda ultrasonik dan pengaturan reaktor yang paling cocok!