La sono-elettrochimica e i suoi vantaggi

Perché applicare gli ultrasuoni all'elettrochimica?

La combinazione di onde ultrasoniche a bassa frequenza e ad alta intensità con sistemi elettrochimici offre molteplici vantaggi, che migliorano l'efficienza e il tasso di conversione delle reazioni elettrochimiche.

Il principio di funzionamento degli ultrasuoni

Per l'elaborazione ad ultrasuoni ad alte prestazioni, gli ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza sono generati da un generatore di ultrasuoni e trasmessi attraverso una sonda ad ultrasuoni (sonotrodo) in un liquido. Gli ultrasuoni ad alta potenza sono considerati ultrasuoni nell'intervallo 16-30kHz. La sonda ad ultrasuoni si espande e si contrae ad esempio a 20kHz, trasmettendo così rispettivamente 20.000 vibrazioni al secondo nel mezzo. Quando le onde ultrasoniche viaggiano attraverso il liquido, alternando cicli ad alta pressione (compressione) / bassa pressione (rarefazione o espansione) si creano minuscole bolle di vuoto o cavità, che crescono su diversi cicli di pressione. Durante la fase di compressione del liquido e delle bolle, la pressione è positiva, mentre la fase di rarefazione produce un vuoto (pressione negativa). Durante i cicli di compressione-espansione, le cavità nel liquido crescono fino a raggiungere una dimensione, alla quale non possono assorbire più energia. A questo punto, implodono violentemente. L'implosione di queste cavità provoca vari effetti altamente energetici, che sono noti come il fenomeno della cavitazione acustica / ultrasonica. La cavitazione acustica è caratterizzata da molteplici effetti altamente energetici, che colpiscono i liquidi, i sistemi solido/liquido e i sistemi gas/liquido. La zona ad alta densità di energia o zona cavitazionale è nota come cosiddetta zona hot-spot, che è più densa di energia nelle immediate vicinanze della sonda ad ultrasuoni e diminuisce con l'aumentare della distanza dal sonotrodo. Le caratteristiche principali della cavitazione ultrasonica includono temperature e pressioni molto elevate che si verificano localmente e i rispettivi differenziali, le turbolenze e il flusso di liquido. Durante l'implosione di cavità ultrasoniche in punti caldi ultrasonici, si possono misurare temperature fino a 5000 Kelvin, pressioni fino a 200 atmosfere e getti di liquido fino a 1000km/h. Queste eccezionali condizioni ad alta intensità di energia contribuiscono a effetti sonomeccanici e sonori che intensificano i sistemi elettrochimici in vari modi.

Gli effetti degli ultrasuoni sui sistemi elettrochimici

L'applicazione dell'ultrasonicazione alle reazioni elettrochimiche è nota per vari effetti sugli elettrodi, cioè anodo e catodo, così come sulla soluzione elettrolitica. La cavitazione ad ultrasuoni e lo streaming acustico generano un significativo micro-movimento, impingingendo i getti di liquido e l'agitazione nel fluido di reazione. Ciò si traduce in un miglioramento dell'idrodinamica e del movimento della miscela liquido/solido. La cavitazione ad ultrasuoni riduce lo spessore effettivo dello strato di diffusione in corrispondenza di un elettrodo. Uno strato di diffusione ridotto significa che la sonicazione riduce al minimo la differenza di concentrazione, il che significa che la convergenza della concentrazione in prossimità di un elettrodo e il valore di concentrazione nella soluzione di massa sono promossi ultrasonicamente. L'influenza dell'agitazione ultrasonica sui gradienti di concentrazione durante la reazione garantisce l'alimentazione permanente della soluzione fresca all'elettrodo e il trasporto del materiale reagito. Ciò significa che la sonicazione migliora la cinetica complessiva accelerando la velocità di reazione e aumentando la resa di reazione.
Con l'introduzione di energia ultrasonica nel sistema, così come la formazione di radicali liberi, può essere avviata la reazione elettrochimica, che altrimenti sarebbe stata elettroinattiva. Un altro importante effetto della vibrazione acustica e dello streaming è l'effetto pulente sulle superfici degli elettrodi. Gli strati passivanti e le incrostazioni sugli elettrodi limitano l'efficienza e la velocità di reazione delle reazioni elettrochimiche. L'ultrasonicazione mantiene gli elettrodi permanentemente puliti e completamente attivi per la reazione.L'ultrasonicazione è ben nota per i suoi effetti degasanti, che sono benefici anche nelle reazioni elettrochimiche. Rimuovendo i gas indesiderati dal liquido, la reazione può funzionare in modo più efficace.

Applicazioni della Sonoelectrochimica

La sonoelettrochimica può essere applicata a diversi processi e in diversi settori industriali. Le applicazioni molto comuni della sonoelettrochimica sono le seguenti:

• Sintesi nanoparticellare (elettrosintesi)
• Sintesi dell'idrogeno
• Elettrocoagulazione
• Trattamento delle acque reflue
• Rompere le emulsioni
• Elettrodeposizione / Elettrodeposizione

Sintesi sono-elettrochimica delle nanoparticelle

L'ecografia è stata applicata con successo per sintetizzare varie nanoparticelle in un sistema elettrochimico. Magnetite, cadmio-selenio (CdSe) nanotubi di cadmio-selenio (CdSe), nanoparticelle di platino (NPs), NPs d'oro, magnesio metallico, bismuto, nanoargento, rame ultrafine, nanoparticelle in lega di tungsteno-cobalto (W-Co), samaria/nanocomposito di ossido di grafene ridotto, nanoparticelle di rame con tappo sub-1nm poli (acido acrilico) e molte altre polveri di dimensioni nanometriche sono state sufficientemente prodotte utilizzando sonoelettrochimica.
I vantaggi della sintesi sonoelettrochimica delle nanoparticelle sono

• evitare agenti riducenti e tensioattivi
• uso di acqua come solvente
• regolazione delle dimensioni delle nanoparticelle tramite vari parametri (potenza ultrasonica, densità di corrente, potenziale di deposizione e tempi di impulso ultrasonico vs elettrochimico)

Ashasssi-Sorkhabi e Bagheri (2014) hanno sintetizzato i film di polipirrolo sono elettrochimici e hanno confrontato i risultati con i film di polipirrolo sintetizzati elettrochimicamente. I risultati mostrano che la sonoelettrodeposizione galvanostatica ha prodotto un film di polipirrolo (PPy) fortemente aderente e liscio su acciaio, con una densità di corrente di 4 mA cm-2 in soluzione di acido ossalico 0,1 M/0,1 M di pirrolo. Utilizzando la polimerizzazione sonoelettrochimica, hanno ottenuto film di PPy ad alta resistenza e tenaci con superficie liscia. E' stato dimostrato che i rivestimenti in PPy preparati da sonoelettrochimica forniscono una sostanziale protezione anticorrosione all'acciaio St-12. Il rivestimento sintetizzato era uniforme e mostrava un'alta resistenza alla corrosione. Tutti questi risultati possono essere attribuiti al fatto che gli ultrasuoni hanno migliorato il trasferimento di massa dei reagenti e hanno causato elevate velocità di reazione chimica attraverso la cavitazione acustica e le alte temperature e pressioni che ne sono derivate. La validità dei dati di impedenza per l'interfaccia acciaio St-12 / due rivestimenti in PPy / supporti corrosivi è stata verificata utilizzando le trasformazioni KK, e sono stati osservati bassi errori medi.

Hass e Gedanken (2008) hanno riportato il successo della sintesi sono-elettrochimica di nanoparticelle metalliche di magnesio. Le efficienze nel processo sonoelettrochimico del reagente di Gringard in tetraidrofurano (THF) o in una soluzione di dibutildiglicio sono state rispettivamente del 41,35% e del 33,08%. L'aggiunta di AlCl3 alla soluzione di Gringard ha aumentato drasticamente l'efficienza, portandola all'82,70% e al 51,69% in THF o in dibutildiglisma, rispettivamente.

Produzione di idrogeno sono-elettrochimico

L'elettrolisi promossa ad ultrasuoni aumenta significativamente la resa di idrogeno da acqua o soluzioni alcaline. Cliccate qui per saperne di più sulla sintesi elettrolitica ultrasonica accelerata dell'idrogeno!

Elettrocoagulazione assistita ad ultrasuoni

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.
Esempi di processi di elettrocoagulazione sonori di successo sono la riduzione di Cr(VI) a Cr(III) nelle acque reflue farmaceutiche, la rimozione del fosforo totale dagli effluenti dell'industria chimica fine con un'efficienza di rimozione del fosforo del 99,5% entro 10 min., la rimozione di colore e COD dagli effluenti dell'industria della pasta di cellulosa e della carta, ecc. Le efficienze di rimozione segnalate per colore, COD, Cr(VI), Cr(VI), Cu(II) e P sono state rispettivamente del 100%, 95%, 100%, 97,3% e 99,84%. (cfr. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradazione sono-elettrochimica degli inquinanti

Le reazioni di ossidazione elettrochimica e/o riduzione promosse ad ultrasuoni sono applicate come metodo potente per degradare l'inquinante chimico. I meccanismi sonomeccanici e sonorochimici promuovono la degradazione elettrochimica degli inquinanti. La cavitazione generata ad ultrasuoni provoca un'intensa agitazione, micro-miscelazione, trasferimento di massa e la rimozione degli strati passivanti dagli elettrodi. Questi effetti cavitazionali si traducono principalmente in un miglioramento del trasferimento di massa solido-liquido tra gli elettrodi e la soluzione. Gli effetti ecochimici colpiscono direttamente le molecole. La scissione omolitica delle molecole crea ossidanti altamente reattivi. In mezzi acquosi e in presenza di ossigeno, vengono prodotti radicali come HO-, HO2- e O-. -OH radicali sono noti per essere importanti per la decomposizione efficiente dei materiali organici. Nel complesso, la degradazione sono-elettrochimica mostra un'elevata efficienza ed è adatta al trattamento di grandi volumi di flussi di acque reflue e di altri liquidi inquinati.
Per esempio, Lllanos et al. (2016) hanno trovato che un significativo effetto sinergico è stato ottenuto per la disinfezione dell'acqua quando il sistema elettrochimico è stato intensificato dalla sonicazione (disinfezione sono-elettrochimica). Questo aumento del tasso di disinfezione è stato trovato essere correlato alla soppressione degli aggolomerati delle cellule di E. coli, così come una maggiore produzione di specie disinfettanti. Esclapez et al. (2010) hanno dimostrato che un reattore sonoelettrochimico appositamente progettato (tuttavia non ottimizzato) è stato utilizzato durante lo scale-up della degradazione dell'acido tricloroacetico (TCAA), la presenza di campo ultrasonico generato con l'UIP1000hd ha fornito risultati migliori (conversione frazionaria 97%, efficienza di degradazione 26%, selettività 0,92 e l'efficienza corrente 8%) a minori intensità ultrasoniche e flusso volumetrico. Considerando il fatto che il reattore sonoelettrochimico pre-pilota non era ancora ottimizzato, è molto probabile che questi risultati possano essere ulteriormente migliorati.

Voltammetria ad ultrasuoni ed elettrodeposizione

L'elettrodeposizione è stata effettuata galvanostaticamente con densità di corrente di 15 mA/cm2. Le soluzioni sono state sottoposte ad ultrasuoni prima dell'elettrodeposizione per 5-60 minuti. A Hielscher Ultrasuonatore a sonda UP200S è stato utilizzato ad un tempo di ciclo di 0,5. L'ecografia è stata ottenuta immergendo direttamente la sonda ad ultrasuoni nella soluzione. Per valutare l'impatto ultrasonico sulla soluzione prima dell'elettrodeposizione, è stata utilizzata la voltammetria ciclica (CV) al fine di rivelare il comportamento della soluzione e permette di prevedere le condizioni ideali per l'elettrodeposizione. Si osserva che quando la soluzione viene sottoposta ad ultrasuoni prima dell'elettrodeposizione, la deposizione inizia a valori di potenziale meno negativi. Ciò significa che alla stessa corrente nella soluzione è richiesto un potenziale minore, in quanto le specie nella soluzione si comportano più attive rispetto a quelle non sottoposte ad ultrasuoni. (cfr. Yurdal & Karahan 2017)

Sonde elettrochimiche ad alte prestazioni e reattori SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics è il vostro partner di lunga esperienza per sistemi ad ultrasuoni ad alte prestazioni. Produciamo e distribuiamo sonde e reattori a ultrasuoni all'avanguardia, che vengono utilizzati in tutto il mondo per applicazioni pesanti in ambienti difficili. Per la sonoelettrochimica, Hielscher ha sviluppato speciali sonde ad ultrasuoni, che possono agire come catodo e/o anodo, così come le celle del reattore ad ultrasuoni adatte alle reazioni elettrochimiche. Gli elettrodi e le celle ad ultrasuoni sono disponibili per sistemi galvanici/tensivi ed elettrolitici.

Ampiezze precisamente controllabili per risultati ottimali

Tutti i processori ad ultrasuoni Hielscher sono controllabili con precisione e quindi affidabili cavalli di lavoro in R&D e produzione. L'ampiezza è uno dei parametri di processo cruciali che influenzano l'efficienza e l'efficacia delle reazioni indotte sonicamente e sonomeccanicamente. Tutti gli Ultrasonici Hielscher’ I processori permettono di impostare con precisione l'ampiezza. I processori industriali ad ultrasuoni di Hielscher sono in grado di fornire ampiezze molto elevate e di fornire l'intensità ultrasonica richiesta per le applicazioni sono-elettrochimiche più impegnative. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
L'impostazione precisa dell'ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri di processo a ultrasuoni tramite un software intelligente offrono la possibilità di influenzare con precisione la reazione sonoelettrochimica. Durante ogni esecuzione di sonicazione, tutti i parametri ultrasonici vengono automaticamente registrati su una scheda SD incorporata, in modo che ogni esecuzione possa essere valutata e controllata. Sonicazione ottimale per le reazioni sonoelettrochimiche più efficienti!
Tutte le apparecchiature sono costruite per l'uso 24/7/365 a pieno carico e la loro robustezza e affidabilità ne fanno il cavallo di battaglia nel vostro processo elettrochimico. Questo rende l'apparecchiatura ad ultrasuoni di Hielscher uno strumento di lavoro affidabile che soddisfa i vostri requisiti del processo sonoelettrochimico.

Massima qualità – Progettato e prodotto in Germania

In quanto azienda a conduzione familiare e a conduzione familiare, Hielscher dà la priorità ai più alti standard di qualità per i suoi processori a ultrasuoni. Tutti gli ultrasuoni sono progettati, prodotti e accuratamente testati nella nostra sede centrale di Teltow vicino a Berlino, Germania. La robustezza e l'affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher ne fanno un cavallo di battaglia nella vostra produzione. Il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, a pieno carico e in ambienti difficili è una caratteristica naturale delle sonde e dei reattori ad ultrasuoni ad alte prestazioni di Hielscher.

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