Elettrosonorizzazione – Elettrodi a ultrasuoni

L'elettrosonorizzazione è la combinazione degli effetti dell'elettricità con quelli della sonicazione. Hielscher Ultrasonics ha sviluppato un metodo nuovo ed elegante per utilizzare qualsiasi sonotrodo come elettrodo. In questo modo la potenza degli ultrasuoni arriva direttamente all'interfaccia tra l'elettrodo a ultrasuoni e il liquido. In questo modo è possibile promuovere l'elettrolisi, migliorare il trasferimento di massa e rompere strati limite o depositi. Hielscher fornisce apparecchiature di livello produttivo per i processi di elettrosonorizzazione in batch e in linea su qualsiasi scala. È possibile combinare l'elettrosonorizzazione con la mano-sonorizzazione (pressione) e la termosonorizzazione (temperatura).

Applicazioni degli elettrodi a ultrasuoni

L'applicazione degli ultrasuoni agli elettrodi è una tecnologia innovativa che offre vantaggi a molti processi diversi di elettrolisi, galvanizzazione, elettropurificazione, generazione di idrogeno e elettrocoagulazione, sintesi di particelle o altre reazioni elettrochimiche. Hielscher Ultrasonics ha elettrodi a ultrasuoni prontamente disponibili per la ricerca e lo sviluppo dell'elettrolisi su scala di laboratorio o su scala pilota. Dopo aver testato e ottimizzato il processo elettrolitico, è possibile utilizzare l'apparecchiatura a ultrasuoni Hielscher Ultrasonics di dimensioni di produzione per scalare i risultati del processo a livelli di produzione industriale. Di seguito, troverete suggerimenti e raccomandazioni per l'uso di elettrodi a ultrasuoni.

Sono-Elettrolisi (elettrolisi a ultrasuoni)

L'elettrolisi è lo scambio di atomi e ioni attraverso la rimozione o l'aggiunta di elettroni in seguito all'applicazione di una corrente elettrica. I prodotti dell'elettrolisi possono avere uno stato fisico diverso da quello dell'elettrolita. L'elettrolisi può produrre solidi, come precipitati o strati solidi su uno dei due elettrodi. In alternativa, l'elettrolisi può produrre gas, come idrogeno, cloro o ossigeno. L'agitazione a ultrasuoni di un elettrodo può rompere i depositi solidi dalla superficie dell'elettrodo. Il degasaggio a ultrasuoni produce rapidamente bolle di gas più grandi dai gas disciolti di microbolle. Questo porta a una più rapida separazione dei prodotti gassosi dall'elettrolita.

Ultrasuoni UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) come catodo e/o anodo in una cella elettrolitica

Trasferimento di massa potenziato dagli ultrasuoni sulla superficie dell'elettrodo

Durante il processo di elettrolisi, i prodotti si accumulano vicino agli elettrodi o sulla loro superficie. L'agitazione a ultrasuoni è uno strumento molto efficace per aumentare il trasferimento di massa negli strati limite. Questo effetto porta l'elettrolita fresco a contatto con la superficie dell'elettrodo. Il flusso cavitazionale trasporta i prodotti dell'elettrolisi, come gas o solidi, lontano dalla superficie dell'elettrodo. In questo modo si previene la formazione di strati isolanti.

Effetti degli ultrasuoni sul potenziale di decomposizione

L'agitazione a ultrasuoni dell'anodo, del catodo o di entrambi gli elettrodi può influenzare il potenziale di decomposizione o la tensione di decomposizione. La cavitazione da sola è nota per rompere le molecole, produrre radicali liberi o ozono. La combinazione della cavitazione con l'elettrolisi in un'elettrolisi potenziata dagli ultrasuoni può influire sulla tensione minima richiesta tra anodo e catodo di una cella elettrolitica affinché si verifichi l'elettrolisi. Gli effetti meccanici e sonici della cavitazione possono anche migliorare l'efficienza energetica dell'elettrolisi.

Gli ultrasuoni nell'elettroraffinazione e nell'elettrofiltrazione

Nel processo di elettroraffinazione, i depositi solidi di metalli, come il rame, possono essere trasformati in una sospensione di particelle solide nell'elettrolita. Nell'elettrofiltrazione, detta anche elettroestrazione, l'elettrodeposizione dei metalli dai loro minerali può essere trasformata in precipitati solidi. I metalli elettrodeposti più comuni sono il piombo, il rame, l'oro, l'argento, lo zinco, l'alluminio, il cromo, il cobalto, il manganese, le terre rare e i metalli alcalini. Gli ultrasuoni sono un mezzo efficace anche per la lisciviazione dei minerali.

Purificazione sono-elettrolitica dei liquidi

Purificare un liquido, ad esempio una soluzione acquosa come acque reflue, fanghi o simili, facendo passare la soluzione attraverso il campo elettrico di due elettrodi! L'elettrolisi può disinfettare o purificare soluzioni acquose. Alimentando una soluzione di NaCI insieme all'acqua attraverso gli elettrodi o tra gli elettrodi, si genera Cl2 o CIO2, che può ossidare le impurità e disinfettare l'acqua o le soluzioni acquose. Se l'acqua contiene una quantità sufficiente di cloruri naturali, non è necessaria l'aggiunta.
Le vibrazioni ultrasoniche dell'elettrodo possono rendere lo strato limite tra l'elettrodo e l'acqua il più sottile possibile. Ciò può migliorare il trasferimento di massa di molti ordini di grandezza. Le vibrazioni ultrasoniche e la cavitazione riducono notevolmente la formazione di bolle microscopiche dovute alla polarizzazione. L'uso di elettrodi a ultrasuoni per l'elettrolisi migliora notevolmente il processo di purificazione elettrolitica.

Sono-Elettrocoagulazione (elettrocoagulazione a ultrasuoni)

L'elettrocoagulazione è un metodo di trattamento delle acque reflue per la rimozione di contaminanti, come olio emulsionato, idrocarburi petroliferi totali, sostanze organiche refrattarie, solidi sospesi e metalli pesanti. Inoltre, è possibile rimuovere gli ioni radioattivi per la purificazione dell'acqua. L'aggiunta dell'elettrocoagulazione a ultrasuoni, nota anche come sono-elettrocoagulazione, ha un effetto positivo sulla domanda chimica di ossigeno o sull'efficienza di rimozione della torbidità. I processi di trattamento combinato con elettrocoagulazione hanno dimostrato prestazioni notevolmente superiori nella rimozione degli inquinanti dalle acque reflue industriali. L'integrazione di una fase di produzione di radicali liberi, come la cavitazione ultrasonica, con l'elettrocoagulazione mostra sinergie e miglioramenti nel processo di pulizia complessivo. Lo scopo dell'impiego di questi sistemi ibridi ultrasuono-elettrolitici è quello di aumentare l'efficienza complessiva del trattamento ed eliminare gli svantaggi dei processi di trattamento convenzionali. È stato dimostrato che i reattori ibridi ultrasuoni-elettrocoagulazione inattivano l'Escherichia coli nell'acqua.

Ultrasuoni UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) come Sono-Catodo e/o Sono-Anodo in un serbatoio

Generazione sono-elettrolitica in situ di reagenti o reattivi

Molti processi chimici, come le reazioni eterogenee o la catalisi, traggono vantaggio dall'agitazione e dalla cavitazione a ultrasuoni. L'influenza sonochimica può aumentare la velocità di reazione o migliorare i rendimenti di conversione.
Gli elettrodi agitati a ultrasuoni aggiungono un nuovo potente strumento alle reazioni chimiche. Ora è possibile combinare i vantaggi della chimica del suono con l'elettrolisi. Producete idrogeno, ioni idrossido, ipoclorito e molti altri ioni o materiali neutri direttamente nel campo di cavitazione ultrasonica. I prodotti dell'elettrolisi possono fungere da reagenti o da reattivi per la reazione chimica.

Combinazione di ultrasuoni e campo elettrico pulsato

La combinazione di campo elettrico pulsato (PEF) e ultrasuoni (US) ha effetti positivi sull'estrazione di composti fisico-chimici e bioattivi e sulla struttura chimica degli estratti. Nell'estrazione delle mandorle, il trattamento combinato (PEF-US) ha prodotto i livelli più elevati di fenoli totali, flavonoidi totali, tannini condensati, contenuti di antociani e attività antiossidante. Ha ridotto la potenza e l'attività chelante dei metalli.
Gli ultrasuoni (US) e il campo elettrico pulsato (PEF) possono essere impiegati per aumentare l'efficienza del processo e i tassi di produzione nei processi di fermentazione, migliorando il trasferimento di massa e la permeabilità cellulare.
La combinazione di campo elettrico pulsato e trattamento a ultrasuoni ha un impatto sulla cinetica di essiccazione all'aria e sulla qualità delle verdure essiccate, come le carote. Il tempo di essiccazione può essere ridotto del 20-40%, pur mantenendo le proprietà di reidratazione.

Sono-Elettrochimica / Elettrochimica a ultrasuoni

Aggiungere l'elettrolisi potenziata a ultrasuoni per produrre reagenti o consumare prodotti di reazioni chimiche al fine di spostare l'equilibrio finale della reazione chimica o alterare il percorso della reazione chimica.

Configurazione suggerita degli elettrodi a ultrasuoni

Il design innovativo degli ultrasuonatori a sonda trasforma un sonotrodo standard in un elettrodo a vibrazione ultrasonica. Questo rende gli ultrasuoni per elettrodi più accessibili, più facili da integrare e facilmente scalabili a livelli di produzione. Altri progetti agitavano l'elettrolita solo tra due elettrodi non agitati. L'ombreggiatura e i modelli di propagazione delle onde ultrasonore producono risultati inferiori rispetto all'agitazione diretta degli elettrodi. È possibile aggiungere la vibrazione a ultrasuoni agli anodi o ai catodi, rispettivamente. Naturalmente, è possibile modificare la tensione e la polarità degli elettrodi in qualsiasi momento. Gli elettrodi di Hielscher Ultrasonics possono essere facilmente adattati alle configurazioni esistenti.

Celle sono-elettrolitiche sigillate e reattori elettrochimici

È disponibile una tenuta a pressione tra il sonotrodo a ultrasuoni (elettrodo) e il recipiente del reattore. Pertanto, è possibile far funzionare la cella elettrolitica a una pressione diversa da quella ambiente. La combinazione di ultrasuoni e pressione è chiamata mano-sonorizzazione. Può essere interessante se l'elettrolisi produce gas, se si lavora a temperature più elevate o se si lavora con componenti liquidi volatili. Un reattore elettrochimico a tenuta stagna può funzionare a pressioni superiori o inferiori alla pressione ambiente. La tenuta tra l'elettrodo a ultrasuoni e il reattore può essere resa elettricamente conduttiva o isolante. Quest'ultimo permette di utilizzare le pareti del reattore come secondo elettrodo. Naturalmente, il reattore può avere porte di ingresso e di uscita per agire come un reattore a cella di flusso per processi continui. Hielscher Ultrasonics offre una varietà di reattori standardizzati e celle a flusso incamiciate. In alternativa, è possibile scegliere tra una serie di adattatori per montare i sonotrodi Hielscher sul proprio reattore elettrochimico.

Disposizione concentrica nel reattore a tubi

Se l'elettrodo agitato a ultrasuoni è vicino a un secondo elettrodo non agitato o a una parete del reattore, le onde ultrasoniche si propagano attraverso il liquido e agiscono anche sulle altre superfici. Un elettrodo agitato a ultrasuoni orientato in modo concentrico in un tubo o in un reattore può mantenere le pareti interne libere da incrostazioni o da solidi accumulati.

Temperatura

Quando si utilizzano i sonotrodi Hielscher standard come elettrodi, la temperatura dell'elettrolita può essere compresa tra 0 e 80 gradi Celsius. Su richiesta sono disponibili sonotrodi per altre temperature dell'elettrolita, comprese tra -273 e 500 gradi Celsius. La combinazione di ultrasuoni e temperatura è chiamata termosonorizzazione.

Viscosità

Se la viscosità dell'elettrolita inibisce il trasferimento di massa, la miscelazione con agitazione a ultrasuoni durante l'elettrolisi potrebbe essere vantaggiosa in quanto migliora il trasferimento del materiale da e verso gli elettrodi.

Sono-Elettrolisi con corrente pulsante

La corrente pulsante sugli elettrodi agitati a ultrasuoni produce prodotti diversi dalla corrente continua (DC). Ad esempio, la corrente pulsante può aumentare il rapporto tra ozono e ossigeno prodotto all'anodo nell'elettrolisi di una soluzione acquosa acida, ad esempio acido solforico diluito. L'elettrolisi a corrente pulsata dell'etanolo produce un'aldeide anziché principalmente un acido.

Apparecchiature per l'elettrosonorizzazione

Hielscher Ultrasonics ha sviluppato uno speciale aggiornamento sonoelettrochimico per i trasduttori industriali. Il trasduttore aggiornato funziona con quasi tutti i tipi di sonotrodi Hielscher.

Elettrodi a ultrasuoni (Sonotrodi)

I sonotrodi sono isolati elettricamente dal generatore di ultrasuoni. Pertanto, è possibile collegare il sonotrodo a ultrasuoni a una tensione elettrica, in modo che il sonotrodo possa fungere da elettrodo. Lo spazio di isolamento elettrico standard tra i sonotrodi e il contatto di terra è di 2,5 mm. Pertanto, è possibile applicare fino a 2500 volt al sonotrodo. I sonotrodi standard sono solidi e realizzati in titanio. Pertanto, non vi è quasi alcuna restrizione alla corrente dell'elettrodo. Il titanio presenta una buona resistenza alla corrosione di molti elettroliti alcalini o acidi. Sono possibili materiali alternativi per il sonotrodo, come l'alluminio (Al), l'acciaio (Fe), l'acciaio inossidabile, il nichel-cromo-molibdeno o il niobio. Hielscher offre anodi sacrificali sonotrodi economici, ad esempio in alluminio o acciaio.

Generatore di ultrasuoni, alimentazione

Il generatore di ultrasuoni non necessita di alcuna modifica e utilizza una presa elettrica standard con messa a terra. La tromba del trasduttore e tutte le superfici esterne del trasduttore e del generatore sono ovviamente collegate alla terra della presa di corrente. Il sonotrodo e un elemento di rinforzo sono le uniche parti collegate alla tensione dell'elettrodo. Questo facilita la progettazione dell'impianto. È possibile collegare il sonotrodo alla corrente continua (CC), alla corrente continua pulsante o alla corrente alternata (CA). Gli elettrodi a ultrasuoni possono essere utilizzati rispettivamente come anodi o catodi.

Apparecchiature di produzione per i processi di elettrosonorizzazione

È possibile utilizzare qualsiasi dispositivo a ultrasuoni Hielscher, come UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT o UIP4000hdT per accoppiare fino a 4000 watt di potenza ultrasonica a qualsiasi sonotrodo o cascatrodo standard. L'intensità degli ultrasuoni sulla superficie del sonotrodo può variare da 1 watt a 100 watt per centimetro quadrato. Sono disponibili diverse geometrie di sonotrodi con ampiezze da 1 micron a 150 micron (picco-picco). La frequenza ultrasonica di 20 kHz è molto efficace nella generazione di cavitazione e flusso acustico nell'elettrolita. I dispositivi a ultrasuoni Hielscher possono funzionare 24 ore al giorno, sette giorni alla settimana. Possono funzionare in modo continuo alla massima potenza o pulsare, ad esempio per la pulizia periodica degli elettrodi. Hielscher Ultrasonics può fornire elettrodi a ultrasuoni con una potenza ultrasonica (agitazione meccanica) fino a 16 kilowatt per singolo elettrodo. La potenza elettrica che si può collegare agli elettrodi è praticamente illimitata.

Un'altra cosa: la spruzzatura sonoelettrostatica

Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature per spruzzare, nebulizzare, atomizzare o aerosolizzare i liquidi. Il sonotrodo di spruzzatura a ultrasuoni può conferire alla nebbia liquida o agli aerosol una carica positiva. Questo combina la spruzzatura a ultrasuoni con la tecnologia di spruzzatura elettrostatica, ad esempio per i processi di rivestimento.