Elettrosonicazione – Elettrodi a ultrasuoni

L’elettrosonicazione 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. Questo porta la potenza degli ultrasuoni direttamente all’interfaccia tra l’elettrodo a ultrasuoni e il liquido. In questa zona può favorire l’elettrolisi, migliorare il trasferimento di massa e rompere gli strati limite o i depositi. Hielscher fornisce apparecchiature di livello industriale per processi di elettrosonicazione in modalità batch e in linea, a qualsiasi scala. È possibile combinare l’elettrosonicazione con la manosonicazione (pressione) e la termosonicazione (temperatura).

Applicazioni degli elettrodi a ultrasuoni

L’applicazione degli ultrasuoni agli elettrodi è una tecnologia innovativa che offre vantaggi per molti processi diversi di elettrolisi, galvanizzazione, elettropurificazione, generazione di idrogeno ed elettrocoagulazione, sintesi di particelle o altre reazioni elettrochimiche. Hielscher Ultrasonics dispone di elettrodi a ultrasuoni prontamente disponibili per la ricerca e lo sviluppo nell’elettrolisi su scala di laboratorio o pilota. Dopo aver testato e ottimizzato il processo elettrolitico, è possibile utilizzare le apparecchiature a ultrasuoni Hielscher Ultrasonics di dimensioni produttive per trasferire i risultati del processo alla produzione industriale. Di seguito sono riportati suggerimenti e raccomandazioni per l’uso degli elettrodi a ultrasuoni.

Sonoelettrolisi (elettrolisi a ultrasuoni)

L’elettrolisi è l’interconversione di atomi e ioni mediante la rimozione o l’aggiunta di elettroni dovuta 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 qualsiasi degli elettrodi. In alternativa, l’elettrolisi può produrre gas, come idrogeno, cloro o ossigeno. L’agitazione a ultrasuoni di un elettrodo può staccare i depositi solidi dalla sua superficie. Il degasaggio a ultrasuoni produce rapidamente bolle di gas più grandi a partire dai gas disciolti delle microbolle. Questo porta a una separazione più rapida dei prodotti gassosi dall’elettrolita.

UIP2000hdT a ultrasuoni (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 elettrolita fresco a contatto con la superficie dell’elettrodo. Il flusso indotto dalla cavitazione trasporta i prodotti dell’elettrolisi, come gas o solidi, lontano dalla superficie dell’elettrodo. Si previene quindi la formazione di strati isolanti che inibiscono il processo.

Effetti degli ultrasuoni sul potenziale di decomposizione

L’agitazione a ultrasuoni dell’anodo, del catodo o di entrambi gli elettrodi può influire sul potenziale di decomposizione o sulla tensione di decomposizione. È noto che la sola cavitazione può rompere le molecole e produrre radicali liberi o ozono. La combinazione della cavitazione con l’elettrolisi in un processo elettrolitico potenziato dagli ultrasuoni può influire sulla tensione minima necessaria tra l’anodo e il catodo di una cella elettrolitica affinché avvenga l’elettrolisi. Gli effetti meccanici e sonochimici della cavitazione possono anche migliorare l’efficienza energetica dell’elettrolisi.

Ultrasuoni nell’elettroaffinazione e nell’elettroestrazione

Nel processo di elettroaffinazione, i depositi solidi di metalli, come il rame, possono essere trasformati in una sospensione di particelle solide nell’elettrolita. Nell’elettroestrazione, detta anche estrazione elettrolitica, l’elettrodeposizione dei metalli dai loro minerali può essere trasformata in un precipitato solido. I metalli comunemente ottenuti mediante elettroestrazione sono piombo, rame, oro, argento, zinco, alluminio, cromo, cobalto, manganese, nonché i metalli delle terre rare e i metalli alcalini.
Il trattamento a ultrasuoni è un mezzo efficace anche per la lisciviazione dei minerali.

Purificazione sonoelettrolitica dei liquidi

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

Sonoelettrocoagulazione (elettrocoagulazione a ultrasuoni)

L’elettrocoagulazione è un metodo di trattamento delle acque reflue per la rimozione di contaminanti, come oli emulsionati, idrocarburi totali del petrolio, sostanze organiche refrattarie, solidi sospesi e metalli pesanti. Anche gli ioni radioattivi possono essere rimossi per purificare l’acqua. L’aggiunta del trattamento a ultrasuoni all’elettrocoagulazione, nota anche come sonoelettrocoagulazione, ha un effetto positivo sulla domanda chimica di ossigeno o sull’efficienza di rimozione della torbidità. I processi di trattamento combinati con l’elettrocoagulazione hanno mostrato prestazioni notevolmente migliori nella rimozione degli inquinanti dalle acque reflue industriali. L’integrazione di una fase che produce radicali liberi, come la cavitazione a ultrasuoni, con l’elettrocoagulazione mostra una sinergia e miglioramenti nel processo complessivo di depurazione. Lo scopo dell’impiego di questi sistemi ibridi a ultrasuoni ed elettrolitici è aumentare l’efficienza complessiva del trattamento ed eliminare gli svantaggi dei processi di trattamento convenzionali. È stato dimostrato che i reattori ibridi a ultrasuoni ed elettrocoagulazione inattivano Escherichia coli nell’acqua.

UIP2000hdT a ultrasuoni (2000 watt, 20kHz) come sonocatodo e/o sonoanodo in una vasca

Generazione sonoelettrolitica in situ di reagenti o reagenti di reazione

Molti processi chimici, come le reazioni eterogenee o la catalisi, traggono beneficio dall’agitazione a ultrasuoni e dalla cavitazione a ultrasuoni. L’effetto sonochimico può aumentare la velocità di reazione o migliorare le rese di conversione.
Gli elettrodi agitati mediante ultrasuoni aggiungono un nuovo e potente strumento alle reazioni chimiche. Ora è possibile combinare i vantaggi della sonochimica con l’elettrolisi. Producete idrogeno, ioni idrossido, ipoclorito e molti altri ioni o materiali neutri direttamente nel campo di cavitazione a ultrasuoni. I prodotti dell’elettrolisi possono agire come reagenti o come reagenti di reazione nella reazione chimica.

Combinazione degli ultrasuoni con il campo elettrico pulsato

La combinazione di campo elettrico pulsato (PEF) e ultrasuoni (US) ha effetti positivi sull’estrazione di composti fisicochimici e bioattivi e sulla struttura chimica degli estratti. Nell’estrazione dalle mandorle, il trattamento combinato (PEF–US) ha prodotto i livelli più elevati di composti fenolici totali, flavonoidi totali, tannini condensati, contenuto 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 migliorare l’efficienza del processo e i ritmi di produzione nei processi di fermentazione, migliorando il trasferimento di massa e la permeabilità cellulare.
La combinazione del trattamento con campo elettrico pulsato e ultrasuoni influisce sulla cinetica di essiccazione ad aria e sulla qualità degli ortaggi essiccati, come le carote. Il tempo di essiccazione può essere ridotto dal 20 al 40%, mantenendo le proprietà di reidratazione.

Sonoelettrochimica / Elettrochimica a ultrasuoni

Aggiungete l’elettrolisi potenziata dagli ultrasuoni per produrre reagenti di reazione o consumare i prodotti delle reazioni chimiche, al fine di spostare l’equilibrio finale della reazione chimica o modificarne il percorso.

Configurazione suggerita degli elettrodi a ultrasuoni

Il design innovativo dei sonicatori a sonda trasforma un sonotrodo a ultrasuoni standard in un elettrodo che vibra a frequenza ultrasonica. Questo rende l’applicazione degli ultrasuoni agli elettrodi più accessibile, più facile da integrare e facilmente scalabile ai livelli produttivi. Altri design agitavano soltanto l’elettrolita tra due elettrodi non agitati. L’effetto di schermatura e i modelli di propagazione delle onde ultrasoniche producono risultati inferiori rispetto all’agitazione diretta dell’elettrodo. È possibile applicare la vibrazione a ultrasuoni agli anodi o ai catodi. Naturalmente, è possibile modificare la tensione e la polarità degli elettrodi in qualsiasi momento. Gli elettrodi Hielscher Ultrasonics possono essere facilmente integrati nelle configurazioni esistenti.

Cella sonoelettrolitica sigillata e reattori elettrochimici

È disponibile una tenuta resistente alla pressione tra il sonotrodo a ultrasuoni (elettrodo) e il recipiente del reattore. È quindi possibile far funzionare la cella elettrolitica a una pressione diversa da quella ambiente. La combinazione degli ultrasuoni con la pressione è chiamata manosonicazione. Questo può essere interessante se l’elettrolisi produce gas, quando si lavora a temperature più elevate o con componenti liquidi volatili. Un reattore elettrochimico a tenuta ermetica può funzionare a pressioni superiori o inferiori a quella ambiente. La tenuta tra l’elettrodo a ultrasuoni e il reattore può essere realizzata in modo da essere elettricamente conduttiva o isolante. Quest’ultima opzione consente di utilizzare le pareti del reattore come secondo elettrodo. Naturalmente, il reattore può essere dotato di raccordi di ingresso e di uscita per funzionare come reattore con cella di flusso per processi continui. Hielscher Ultrasonics offre una varietà di reattori standardizzati e celle di flusso con camicia. In alternativa, è possibile scegliere tra una gamma di adattatori per montare i sonotrodi Hielscher sul proprio reattore elettrochimico.

Disposizione concentrica nel reattore tubolare

Se l’elettrodo agitato mediante 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 mediante ultrasuoni e disposto concentricamente in un tubo o in un reattore può mantenere le pareti interne libere da incrostazioni o accumuli di solidi.

Temperatura

Quando si utilizzano sonotrodi Hielscher standard come elettrodi, la temperatura dell’elettrolita può essere compresa tra 0 e 80 gradi Celsius. Sono disponibili su richiesta sonotrodi per altre temperature dell’elettrolita nell’intervallo da -273 gradi Celsius a 500 gradi Celsius. La combinazione degli ultrasuoni con la temperatura è chiamata termosonicazione.

Viscosità

Se la viscosità dell’elettrolita ostacola il trasferimento di massa, la miscelazione mediante agitazione a ultrasuoni durante l’elettrolisi potrebbe essere vantaggiosa, poiché migliora il trasferimento del materiale verso e dagli elettrodi.

Sonoelettrolisi con corrente pulsante

La corrente pulsante applicata agli elettrodi agitati mediante ultrasuoni genera prodotti diversi rispetto alla corrente continua (DC). Ad esempio, la corrente pulsante può aumentare il rapporto tra ozono e ossigeno prodotti all’anodo nell’elettrolisi di una soluzione acquosa acida, ad esempio acido solforico diluito. L’elettrolisi dell’etanolo con corrente pulsata produce un’aldeide anziché prevalentemente un acido.

Apparecchiature per l’elettrosonicazione

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 elettricamente isolati dal generatore di ultrasuoni. È quindi possibile collegare il sonotrodo a ultrasuoni a una tensione elettrica, affinché possa agire come elettrodo. La distanza standard di isolamento elettrico tra i sonotrodi e il contatto di terra è di 2,5 mm. È quindi possibile applicare al sonotrodo fino a 2500 volt. I sonotrodi standard sono pieni e realizzati in titanio. Pertanto, non vi sono praticamente limitazioni alla corrente dell’elettrodo. Il titanio presenta una buona resistenza alla corrosione in molti elettroliti alcalini o acidi. Sono possibili materiali alternativi per i sonotrodi, come alluminio (Al), acciaio (Fe), acciaio inossidabile, nichel-cromo-molibdeno o niobio. Hielscher offre sonotrodi economici utilizzabili come anodi sacrificali, ad esempio in alluminio o acciaio.

Generatore di ultrasuoni, alimentazione elettrica

Il generatore di ultrasuoni non richiede alcuna modifica e utilizza una presa elettrica standard con messa a terra. Naturalmente, il corno del trasduttore e tutte le superfici esterne del trasduttore e del generatore sono collegati alla terra della presa di alimentazione. Il sonotrodo e un elemento di sostegno sono le uniche parti collegate alla tensione dell’elettrodo. Questo facilita la progettazione della configurazione. È possibile collegare il sonotrodo a corrente continua (DC), corrente continua pulsante o corrente alternata (AC). Gli elettrodi a ultrasuoni possono essere utilizzati come anodi o catodi.

Apparecchiature di produzione per processi di elettrosonicazione

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 standard o cascatrode. L’intensità ultrasonica sulla superficie del sonotrodo può essere compresa tra 1 watt e 100 watt watt per centimetro quadrato. Sono disponibili diverse geometrie di sonotrodi con ampiezze da 1 micron a 150 micron (picco-picco). La frequenza ultrasonica di 20kHz è molto efficace nella generazione di cavitazione e flussi acustici nell’elettrolita. I dispositivi a ultrasuoni Hielscher possono funzionare 24 ore al giorno, sette giorni alla settimana. È possibile farli funzionare continuamente alla massima potenza oppure in modalità pulsata, 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. Non vi è praticamente alcun limite alla potenza elettrica che è possibile applicare agli elettrodi.

Un’altra cosa: spruzzatura sonoelettrostatica

Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature per la spruzzatura, la nebulizzazione, l’atomizzazione o la trasformazione in aerosol dei liquidi. Il sonotrodo per la spruzzatura a ultrasuoni può conferire una carica positiva alla nebbia liquida o agli aerosol. Questo combina la spruzzatura a ultrasuoni con la tecnologia di spruzzatura elettrostatica, ad esempio per i processi di rivestimento.

Bibliografia / Riferimenti

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