La sono-elettrochimica e i suoi vantaggi

Qui troverete tutto quello che c'è da sapere sull'elettrochimica a ultrasuoni (sonoelettrochimica): principio di funzionamento, applicazioni, vantaggi e apparecchiature sonoelettrochimiche. – tutte le informazioni rilevanti sulla sonoelettrochimica in un'unica pagina.

Perché applicare gli ultrasuoni all'elettrochimica?

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

Il principio di funzionamento degli ultrasuoni

Per la lavorazione a ultrasuoni ad alte prestazioni, gli ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza vengono generati da un generatore di ultrasuoni e trasmessi attraverso una sonda a ultrasuoni (sonotrodo) in un liquido. Per ultrasuoni ad alta potenza si intendono gli ultrasuoni nell'intervallo 16-30 kHz. La sonda a ultrasuoni si espande e si contrae, ad esempio, a 20 kHz, trasmettendo così nel liquido rispettivamente 20.000 vibrazioni al secondo. Quando le onde ultrasoniche attraversano il liquido, l'alternanza di cicli di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione o espansione) crea minuscole bolle di vuoto o cavità, che si sviluppano per 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 tale da non poter più assorbire energia. A questo punto, implodono violentemente. L'implosione di queste cavità provoca vari effetti altamente energetici, noti come fenomeno della cavitazione acustica/ ultrasonica. La cavitazione acustica è caratterizzata da molteplici effetti altamente energetici che colpiscono liquidi, sistemi solido/liquido e sistemi gas/liquido. La zona ad alta densità energetica o zona di cavitazione è nota come zona hot-spot, che è più densa di energia nelle immediate vicinanze della sonda a ultrasuoni e diminuisce con l'aumentare della distanza dal sonotrodo. Le caratteristiche principali della cavitazione ultrasonica includono la presenza di temperature e pressioni molto elevate a livello locale e i rispettivi differenziali, le turbolenze e il flusso di liquido. Durante l'implosione di cavità ultrasoniche in hot-spot ultrasonici, si possono misurare temperature fino a 5000 Kelvin, pressioni fino a 200 atmosfere e getti di liquido fino a 1000km/h. Queste condizioni di eccezionale intensità energetica contribuiscono agli effetti sonomeccanici e sicochimici che intensificano i sistemi elettrochimici in vari modi.

Gli effetti degli ultrasuoni sui sistemi elettrochimici

L'applicazione degli ultrasuoni alle reazioni elettrochimiche è nota per i vari effetti sugli elettrodi, cioè anodo e catodo, e sulla soluzione elettrolitica. La cavitazione ultrasonica e lo streaming acustico generano micromovimenti significativi, imprimendo getti di liquido e agitazione nel fluido di reazione. Ciò determina un miglioramento dell'idrodinamica e del movimento della miscela liquido-solido. La cavitazione ultrasonica 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 della concentrazione nella soluzione di massa sono promossi dagli ultrasuoni. L'influenza dell'agitazione a ultrasuoni sui gradienti di concentrazione durante la reazione garantisce l'alimentazione permanente di soluzione fresca all'elettrodo e l'allontanamento del materiale reagito. Ciò significa che la sonicazione ha migliorato la cinetica complessiva accelerando la velocità di reazione e aumentando la resa della reazione.
Grazie all'introduzione di energia ultrasonica nel sistema e alla formazione di radicali liberi per via sonica, è possibile avviare reazioni elettrochimiche che altrimenti sarebbero state elettroinattive. Un altro effetto importante delle vibrazioni acustiche e dello streaming è l'effetto di pulizia delle superfici degli elettrodi. Gli strati passivanti e le incrostazioni sugli elettrodi limitano l'efficienza e la velocità di reazione delle reazioni elettrochimiche. L'ultrasuonoterapia mantiene gli elettrodi permanentemente puliti e completamente attivi per la reazione.Gli ultrasuoni sono noti per i loro effetti di degassificazione, che sono benefici anche nelle reazioni elettrochimiche. Rimuovendo i gas indesiderati dal liquido, la reazione può essere più efficace.

Applicazioni della sonoelettrochimica

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

• Sintesi di nanoparticelle (elettrosintesi)
• sintesi dell'idrogeno
• elettrocoagulazione
• Trattamento delle acque reflue
• Rompere le emulsioni
• Galvanotecnica / Elettrodeposizione

Sintesi sono-elettrochimica di nanoparticelle

L'ultrasonicazione è stata applicata con successo per sintetizzare varie nanoparticelle in un sistema elettrochimico. Magnetite, nanotubi di cadmio-selenio (CdSe), nanoparticelle (NPs) di platino, NPs d'oro, magnesio metallico, bismutene, nano-argento, rame ultrafine, nanoparticelle di lega tungsteno-cobalto (W-Co), nanocomposito di samaria/ossido di grafene ridotto, nanoparticelle di rame rivestite di poli(acido acrilico) di dimensioni inferiori a 1 nm e molte altre polveri di dimensioni nanometriche sono state prodotte con successo utilizzando la sonoelettrochimica.
I vantaggi della sintesi sonoelettrochimica delle nanoparticelle includono i seguenti vantaggi

• evitare agenti riducenti e tensioattivi
• uso dell'acqua come solvente
• regolazione delle dimensioni delle nanoparticelle variando i parametri (potenza degli ultrasuoni, densità di corrente, potenziale di deposizione e tempi di impulso ultrasonico ed elettrochimico)

Ashasssi-Sorkhabi e Bagheri (2014) hanno sintetizzato film di polipirrolo per via sonoelettrochimica e hanno confrontato i risultati con film di polipirrolo sintetizzati elettrochimicamente. I risultati mostrano che la sonoelettrodeposizione galvanostatica ha prodotto un film di polipirrolo (PPy) fortemente aderente e liscio sull'acciaio, con una densità di corrente di 4 mA cm-2 in una 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 tenacità con superficie liscia. È stato dimostrato che i rivestimenti di PPy preparati con la sonoelettrochimica forniscono una sostanziale protezione contro la corrosione dell'acciaio St-12. Il rivestimento sintetizzato era uniforme e presentava un'elevata resistenza alla corrosione. Tutti questi risultati possono essere attribuiti al fatto che gli ultrasuoni hanno potenziato il trasferimento di massa dei reagenti e hanno provocato elevate velocità di reazione chimica attraverso la cavitazione acustica e le conseguenti alte temperature e pressioni. La validità dei dati di impedenza per l'interfaccia acciaio St-12/due rivestimenti di PPy/mezzi corrosivi è stata verificata utilizzando le trasformate di KK e sono stati osservati errori medi bassi.

Hass e Gedanken (2008) hanno riportato con successo la sintesi sonoelettrochimica di nanoparticelle di magnesio metallico. Le efficienze del processo sonoelettrochimico del reagente di Gringard in tetraidrofurano (THF) o in una soluzione di dibutidiglicole erano 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% rispettivamente in THF o dibutidiglicole.

Produzione sono-elettrochimica di idrogeno

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

Elettrocoagulazione assistita da ultrasuoni

L'applicazione di ultrasuoni a bassa frequenza ai sistemi di elettrocoagulazione è nota come sono-elettrocoagulazione. Gli studi dimostrano che la sonicazione influenza positivamente l'elettrocoagulazione, determinando, ad esempio, una maggiore efficienza di rimozione degli idrossidi di ferro dalle acque reflue. L'impatto positivo degli ultrasuoni sull'elettrocoagulazione si spiega con la riduzione della passivazione degli elettrodi. Gli ultrasuoni a bassa frequenza e ad alta intensità distruggono lo strato solido depositato e lo rimuovono in modo efficiente, mantenendo così gli elettrodi sempre pienamente attivi. Inoltre, gli ultrasuoni attivano entrambi i tipi di ioni, cioè cationi e anioni, presenti nella zona di reazione degli elettrodi. L'agitazione a ultrasuoni determina un elevato micromovimento della soluzione che alimenta e trasporta materie prime e prodotti da e verso gli elettrodi.
Esempi di successo dei processi di sono-elettrocoagulazione sono la riduzione del 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% in 10 minuti, la rimozione del colore e del COD dagli effluenti dell'industria della cellulosa e della carta, ecc. Le efficienze di rimozione riportate per colore, COD, 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 elettrochimiche di ossidazione e/o riduzione promosse dagli ultrasuoni sono applicate come potente metodo per degradare gli inquinanti chimici. I meccanismi sonomeccanici e somochimici promuovono la degradazione elettrochimica degli inquinanti. La cavitazione generata dagli ultrasuoni provoca un'intensa agitazione, micro-miscelazione, trasferimento di massa e rimozione degli strati passivanti dagli elettrodi. Questi effetti cavitazionali si traducono principalmente in un aumento del trasferimento di massa solido-liquido tra gli elettrodi e la soluzione. Gli effetti sonici hanno un impatto diretto sulle molecole. La scissione omolitica delle molecole crea ossidanti altamente reattivi. In mezzi acquosi e in presenza di ossigeno, si producono radicali come HO-, HO2- e O-. I radicali -OH 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 acque reflue e altri liquidi inquinati.
Ad esempio, Lllanos et al. (2016) hanno scoperto che sono stati ottenuti effetti sinergici significativi 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 riscontrato in relazione alla soppressione degli agglomerati cellulari di E. coli e a una maggiore produzione di specie disinfettanti. Esclapez et al. (2010) hanno dimostrato che un reattore sonoelettrochimico specificamente progettato (ma non ottimizzato) è stato utilizzato durante lo scale-up della degradazione dell'acido tricloroacetico (TCAA); la presenza di un campo di ultrasuoni generato con l'UIP1000hd ha fornito risultati migliori (conversione frazionale del 97%, efficienza di degradazione del 26%, selettività dello 0,92 ed efficienza di corrente dell'8%) a intensità ultrasoniche e flussi volumetrici inferiori. Considerando il fatto che il reattore sonoelettrochimico pre-pilota non era ancora ottimizzato, è molto probabile che questi risultati possano essere ulteriormente migliorati.

Voltammetria a ultrasuoni ed elettrodeposizione

L'elettrodeposizione è stata effettuata per via galvanostatica con una densità di corrente di 15 mA/cm2. Le soluzioni sono state sottoposte a ultrasuoni prima dell'elettrodeposizione per 5-60 minuti. Un Hielscher Ultrasuonatore a sonda UP200S è stato utilizzato a un tempo di ciclo di 0,5. L'ultrasuonizzazione è stata ottenuta immergendo direttamente la sonda a ultrasuoni nella soluzione. Per valutare l'impatto degli ultrasuoni sulla soluzione prima dell'elettrodeposizione, è stata utilizzata la voltammetria ciclica (CV), che rivela il comportamento della soluzione e consente di prevedere le condizioni ideali per l'elettrodeposizione. Si osserva che quando la soluzione è sottoposta a ultrasuoni prima dell'elettrodeposizione, la deposizione inizia a valori di potenziale meno negativi. Ciò significa che a parità di corrente nella soluzione è necessario un potenziale minore, poiché le specie presenti nella soluzione si comportano in modo più attivo rispetto a quelle non ultrasoniche. (cfr. Yurdal & Karahan 2017)

Sonde elettrochimiche ad alte prestazioni e SonoElettroReattori

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

Ampiezze controllabili con precisione per risultati ottimali

Tutti i processori a ultrasuoni Hielscher sono controllabili con precisione e quindi affidabili cavalli di battaglia in R&D e la produzione. L'ampiezza è uno dei parametri di processo cruciali che influenzano l'efficienza e l'efficacia delle reazioni indotte per via sonica e sonomeccanica. Tutti i prodotti Hielscher Ultrasonics’ I processori Hielscher consentono di impostare con precisione l'ampiezza. I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher sono in grado di fornire ampiezze molto elevate e di fornire l'intensità ultrasonica richiesta per le applicazioni sono-elettrochimiche più esigenti. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Le impostazioni precise dell'ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri del processo a ultrasuoni tramite un software intelligente consentono di influenzare con precisione la reazione sonoelettrochimica. Durante ogni sessione di sonicazione, tutti i parametri ultrasonici vengono automaticamente registrati su una scheda SD integrata, in modo che ogni sessione possa essere valutata e controllata. Sonicazione ottimale per reazioni sonoelettrochimiche più efficienti!
Tutte le apparecchiature sono costruite per essere utilizzate a pieno carico 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e 365 giorni su 7. La loro robustezza e affidabilità ne fanno il cavallo di battaglia del vostro processo elettrochimico. Le apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher sono quindi uno strumento di lavoro affidabile che soddisfa i requisiti del vostro processo elettrochimico.

Massima qualità – Progettato e prodotto in Germania

In quanto azienda a conduzione familiare, Hielscher dà priorità ai più alti standard di qualità per i suoi processori a ultrasuoni. Tutti gli ultrasuoni sono progettati, prodotti e testati a fondo nella nostra sede centrale di Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l'affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni 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 a ultrasuoni ad alte prestazioni di Hielscher.

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