Sono-Elektrokimia dan Keunggulannya

Mengapa Menerapkan Ultrasonics untuk Elektrokimia?

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

Prinsip Kerja Ultrasonics

Untuk pemrosesan ultrasonik kinerja tinggi, intensitas tinggi, ultrasound frekuensi rendah dihasilkan oleh generator ultrasound dan ditransmisikan melalui probe ultrasonik (sonotrode) ke dalam cairan. ULTRASOUND berdaya tinggi dianggap usg dalam kisaran 16-30kHz. Probe ultrasound meluas dan kontrak misalnya, pada 20kHz, sehingga mentransmisikan masing-masing 20.000 getaran per detik ke media. Ketika gelombang ultrasonik melakukan perjalanan melalui cairan, bergantian tekanan tinggi (kompresi) / siklus tekanan rendah (rarefaction atau ekspansi) menciptakan gelembung vakum menit atau rongga, yang tumbuh selama beberapa siklus tekanan. Selama fase kompresi cairan dan gelembung, tekanan positif, sementara fase rarefaction menghasilkan vakum (tekanan negatif). Selama siklus ekspansi kompresi, rongga dalam cairan tumbuh sampai mencapai ukuran, di mana mereka tidak dapat menyerap lebih banyak energi. Pada titik ini, mereka meledak keras. Ledakan rongga tersebut menghasilkan berbagai efek yang sangat energik, yang dikenal sebagai fenomena kavitasi akustik / ultrasonik. Kavitasi akustik ditandai dengan efek manifold 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 hot-spot, yang paling padat energi di sekitar probe ultrasonik dan menurun dengan meningkatnya jarak dari sonotrode. Karakteristik utama kavitasi ultrasonik termasuk suhu dan tekanan yang sangat tinggi secara lokal dan diferensial masing-masing, turbulensi, dan streaming cair. Selama ledakan rongga ultrasonik di titik panas ultrasonik, suhu hingga 5000 Kelvin, tekanan hingga 200 atmosfer dan jet cair dengan hingga 1000km / jam dapat diukur. Kondisi energi-intens yang luar biasa ini berkontribusi pada efek sonomekan dan sonochemical yang mengintensifkan sistem elektrokimia dengan berbagai cara.

Efek Ultrasonik pada Sistem Elektrokimia

Penerapan ultrasonikasi terhadap reaksi elektrokimia dikenal untuk berbagai efek pada elektroda, yaitu anoda dan katoda, serta larutan elektrolit. Kavitasi ultrasonik dan streaming akustik menghasilkan gerakan mikro yang signifikan, menghambat jet cair dan agitasi ke dalam cairan reaksi. 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 massal dipromosikan secara ultrasonik. Pengaruh agitasi ultrasonik pada gradien konsentrasi selama reaksi memastikan pemberian makan permanen larutan segar untuk elektroda dan mematikan bahan yang bereaksi. Ini berarti sonikasi meningkatkan kinetika keseluruhan mempercepat tingkat reaksi dan meningkatkan hasil reaksi.
Dengan pengenalan energi ultrasonik ke dalam sistem serta pembentukan sonokimia radikal bebas, reaksi elektrokimia, yang jika tidak akan elektroinaktif, dapat dimulai. 
Efek penting lain dari getaran akustik dan streaming adalah efek pembersihan pada permukaan elektroda. Melewati lapisan dan fouling pada elektroda membatasi efisiensi dan tingkat reaksi reaksi elektrokimia. Ultrasonication menjaga elektroda tetap bersih secara permanen dan sepenuhnya aktif untuk reaksi. Ultrasonication terkenal karena efek degassing, yang bermanfaat dalam reaksi elektrokimia, juga. Menghilangkan gas yang tidak diinginkan dari cairan, reaksinya dapat berjalan lebih berkhasiat.

Aplikasi Sonoelectrochemistry

Sonoelectrochemistry dapat diterapkan pada berbagai proses dan di industri yang berbeda. Aplikasi sonoelectrochemistry yang sangat umum termasuk yang berikut:

• Sintesis nanopartikel (elektrosintesis)
• Sintesis hidrogen
• Elektrokoagulasi
• Pengolahan air limbah
• Mematahkan emulsi
• Elektroplating / Elektrodeposisi

Sintesis Sono-Elektrokimia Nanopartikel

Ultrasonication berhasil diterapkan untuk mensintesis berbagai nanopartikel dalam sistem elektrokimia. Nanotube magnetit, kadmium-selenium (CdSe), nanopartikel platinum (NPs), NPs emas, magnesium metalik, bismuthene, nano-silver, tembaga ultra-halus, nanopartikel paduan tungsten–kobalt (W-Co), nanopartikel oksida graphene/berkurang, sub-1nm poly(asam akrilik)-capped nanopartikel tembaga dan banyak bubuk berukuran nano lainnya telah diproduksi dengan sukses menggunakan sonoelectrochemistry.
Keuntungan dari sintesis nanopartikel sonoelektrochemical termasuk

• penghindaran mengurangi agen dan surfaktan
• penggunaan air sebagai pelarut
• penyesuaian ukuran nanopartikel dengan parameter yang bervariasi (daya ultrasonik, kepadatan saat ini, potensi pengendapan dan ultrasonik vs waktu pulsa elektrokimia)

Ashasssi-Sorkhabi dan Bagheri (2014) mensintesis film polypyrrole sonoelectrochemically dan membandingkan hasilnya dengan film polypyrrole yang disintesis secara elektrokemik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sonoelectrodeposition galvanostatic menghasilkan film polypyrrole (PPy) yang sangat patuh dan halus pada baja, dengan kepadatan saat ini 4 mA cm–2 dalam larutan asam oksalat 0,1 M/0,1 M. Menggunakan polimerisasi sonoelektrokimia, mereka memperoleh film PPy resistensi tinggi dan tangguh dengan permukaan yang halus. Telah ditunjukkan bahwa pelapis PPy yang disiapkan oleh sonoelectrochemistry memberikan perlindungan korosi yang substansial untuk baja St-12. Lapisan sintesis seragam dan menunjukkan ketahanan korosi yang tinggi. Semua hasil ini dapat dikaitkan dengan fakta bahwa ULTRASOUND meningkatkan perpindahan massa reaktif dan menyebabkan tingkat reaksi kimia yang tinggi melalui kavitasi akustik dan suhu dan tekanan tinggi yang dihasilkan. Validitas data impedansi untuk st-12 baja / dua pelapis 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 sonoelectrochemical reagen Gringard dalam tetrahydrofuran (THF) atau dalam larutan dibutildiglyme masing-masing adalah 41,35% dan 33,08%. Menambahkan AlCl3 ke solusi Gringard meningkatkan efisiensi secara dramatis, meningkatkannya menjadi 82,70% dan 51,69% dalam THF atau dibutildiglyme, masing-masing.

Produksi Hidrogen Sono-Elektrokimia

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

Ultrasonically dibantu elektrokoagulasi

The application of low-frequency ultrasound to electrocoagulcation systems is known as sono-electrocoagulation. Studies show that sonication influences electrocoagulation positively resulting e.g., in higher removal efficiency of iron hydroxides from wastewater. The positive impact of ultrasonics on electrocoagulation is explained by the reduction of electrode passivation. Low-frequency, high-intensity ultrasound destructs deposited solid layer and removes them efficiently, thereby keeping the electrodes continuously fully active. Furthermore, ultrasonics activates both ion types, i.e. cations and anions, present in the electrodes reaction zone. Ultrasonic agitation results in high micro-movement of the solution feeding and carrying away raw material and product to and from the electrodes.
Contoh untuk proses sono-elektrokoagulasi yang sukses adalah pengurangan Cr(VI) ke Cr(III) dalam air limbah farmasi, penghapusan total fosfor dari limbah industri kimia halus dengan efisiensi pengangkatan fosfor adalah 99,5% dalam 10 menit., penghapusan warna dan COD dari limbah industri pulp dan kertas dll. Efisiensi penghapusan yang dilaporkan untuk warna, COD, Cr(VI), Cu(II) dan P masing-masing 100%, 95%, 100%, 97,3%, dan 99,84%. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-Degradasi Elektrokimia Polutan

Ultrasonically dipromosikan oksidasi elektrokimia dan / atau reaksi pengurangan diterapkan sebagai metode yang kuat untuk menurunkan polutan kimia. Mekanisme sonomekanik dan sonokimia mempromosikan degradasi elektrokimia polutan. Ultrasonically menghasilkan hasil kavitasi dalam agitasi intens, pencampuran mikro, transfer massa dan penghapusan lapisan pasif dari elektroda. Efek kavitasi ini terutama menghasilkan peningkatan perpindahan massa padat-cair antara elektroda dan larutan. Efek sonochemical secara langsung berdampak pada molekul. Pembelahan homolitik molekul menciptakan oksidan yang sangat reaktif. Di media berdasi dan di hadapan oksigen, radikal seperti HO•, HO2• dan O• diproduksi. •OH radikal dikenal penting untuk penguraian bahan organik yang efisien. Secara keseluruhan, degradasi sono-elektrokimia menunjukkan efisiensi tinggi dan cocok untuk perawatan aliran air limbah dalam volume besar dan cairan tercemar lainnya.
Misalnya, Lllanos et al. (2016) menemukan bahwa efek sinergis yang signifikan diperoleh untuk desinfeksi air ketika sistem elektrokimia diintensifkan oleh sonikasi (desinfeksi sono-elektrokimia). Peningkatan tingkat desinfeksi ini ditemukan terkait dengan penekanan Agresorat sel E. serta peningkatan produksi spesies disinfektan. 
Esclapez dkk. (2010) menunjukkan bahwa reaktor sonoelektrokimia yang dirancang khusus (namun tidak dioptimalkan) digunakan selama peningkatan degradasi trichloroacetic acid (TCAA), kehadiran bidang ultrasound yang dihasilkan dengan UIP1000hd memberikan hasil yang lebih baik (konversi fraksional 97%, efisiensi degradasi 26%, selektivitas 0,92 dan efisiensi saat ini 8%) pada intensitas ultrasonik yang lebih rendah dan aliran volumetrik. Mempertimbangkan fakta, bahwa reaktor sonoelectrochemical pra-pilot belum dioptimalkan, sangat mungkin hasil ini dapat lebih ditingkatkan.

Ultrasonic Voltammetry dan Elektrodaposisi

Elektrodaposisi dilakukan secara galvanostatically pada kepadatan saat ini 15 mA/cm2. Solusi dikenakan ultrasonikasi sebelum elektrodaposisi selama 5-60 menit. Seorang Hielscher UP200S probe-jenis ultrasonicator digunakan pada waktu siklus 0,5. Ultrasonication dicapai dengan langsung mencelupkan probe ultrasound ke dalam larutan. Untuk mengevaluasi dampak ultrasonik pada larutan sebelum elektrodeposisi, voltammetry siklik (CV) digunakan untuk mengungkapkan perilaku larutan dan memungkinkan untuk memprediksi kondisi ideal untuk elektrodeposisi. Diamati bahwa ketika larutan mengalami ultrasonikasi sebelum elektrodaposisi, pengendapan dimulai pada nilai potensial yang kurang negatif. Ini berarti bahwa pada saat yang sama dalam larutan diperlukan lebih sedikit potensi, karena spesies dalam larutan berperilaku lebih aktif daripada yang tidak ultrasonicated. (cf. Yurdal & Karahan 2017)

Probe Elektrokimia Berkinerja Tinggi dan SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics adalah mitra lama Anda berpengalaman untuk sistem ultrasonik kinerja 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 ultrasonik dan sel tersedia untuk galvanis / voltaik serta sistem elektrolit.

Amplitudo yang Dapat Dikendalikan secara Tepat untuk Hasil Optimal

Semua prosesor ultrasonik Hielscher dapat dikontrol dengan tepat dan dengan demikian kuda kerja yang dapat diandalkan di R&D dan produksi. Amplitudo adalah salah satu parameter proses penting yang mempengaruhi efisiensi dan efektivitas reaksi yang diinduksi secara sonochemically dan sonomechanically. Semua Hielscher Ultrasonics’ prosesor memungkinkan pengaturan amplitudo yang tepat. Prosesor ultrasonik industri Hielscher dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi dan memberikan intensitas ultrasonik yang diperlukan untuk menuntut aplikasi sono-elektrokhamik. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan dalam operasi 24/7.
Pengaturan amplitudo yang tepat dan pemantauan permanen parameter proses ultrasonik melalui perangkat lunak pintar memberi Anda kemungkinan untuk mempengaruhi reaksi sonoelektrokimia dengan tepat. Selama setiap lari sonikasi, semua parameter ultrasonik secara otomatis dicatat pada kartu SD bawaan, sehingga setiap lari dapat dievaluasi dan dikendalikan. Sonikasi optimal untuk reaksi sonoelektrochemical paling efisien!
Semua peralatan dibangun untuk penggunaan 24/7/365 di bawah beban penuh dan ketahanan dan keandalannya menjadikannya kuda kerja dalam proses elektrokimia Anda. Ini menjadikan peralatan ultrasonik Hielscher alat kerja yang andal yang memenuhi persyaratan proses sonoelectrochemical Anda.

Kualitas Tertinggi – Dirancang dan Diproduksi di Jerman

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

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