Sonoelettrochimica e i suoi vantaggi

Qui troverete tutto ciò che occorre 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 ultrasoniche a bassa frequenza e alta intensità con sistemi elettrochimici offre molteplici vantaggi, che migliorano l’efficienza e la velocità di conversione delle reazioni elettrochimiche.

Il principio di funzionamento degli ultrasuoni

Per il trattamento a ultrasuoni ad alte prestazioni, un generatore di ultrasuoni produce ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza, che vengono trasmessi in un liquido tramite una sonda a ultrasuoni (sonotrodo). Sono considerati ultrasuoni ad alta potenza quelli nell’intervallo di 16–30kHz. La sonda a ultrasuoni si espande e si contrae, ad esempio, a 20kHz, trasmettendo così 20.000 vibrazioni al secondo nel mezzo. Quando le onde ultrasoniche attraversano il liquido, cicli alternati di alta pressione (compressione) / bassa pressione (rarefazione o espansione) creano minuscole bolle di vuoto o cavità, che crescono nel corso di 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 ed espansione, le cavità nel liquido crescono fino a raggiungere una dimensione alla quale non possono 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 agiscono sui liquidi, sui sistemi solido/liquido e sui sistemi gas/liquido. La zona ad alta densità energetica, o zona di cavitazione, è nota come zona dei cosiddetti punti caldi; la densità energetica è massima nelle immediate vicinanze della sonda a ultrasuoni e diminuisce all’aumentare della distanza dal sonotrodo. Le principali caratteristiche della cavitazione ultrasonica comprendono temperature e pressioni localmente molto elevate e i rispettivi differenziali, turbolenze e flussi di liquido. Durante l’implosione delle cavità ultrasoniche nei punti caldi ultrasonici, si possono misurare temperature fino a 5000 Kelvin, pressioni fino a 200 atmosfere e getti di liquido con velocità fino a 1000km/h. Queste straordinarie condizioni ad alta intensità energetica contribuiscono agli effetti sonomeccanici e sonochimici che intensificano i sistemi elettrochimici in vari modi.

Gli effetti degli ultrasuoni sui sistemi elettrochimici

L’applicazione della sonicazione alle reazioni elettrochimiche è nota per i suoi vari effetti sugli elettrodi, ossia anodo e catodo, e sulla soluzione elettrolitica. La cavitazione ultrasonica e il flusso acustico generano micromovimenti significativi, getti di liquido impattanti e agitazione nel fluido di reazione. Ne derivano una migliore idrodinamica e un migliore movimento della miscela liquido/solido. La cavitazione ultrasonica riduce lo spessore effettivo dello strato di diffusione presso un elettrodo. Uno strato di diffusione ridotto significa che la sonicazione minimizza la differenza di concentrazione: gli ultrasuoni favoriscono quindi la convergenza tra la concentrazione nelle vicinanze di un elettrodo e il valore di concentrazione nella soluzione in massa. L’influenza dell’agitazione ultrasonica sui gradienti di concentrazione durante la reazione assicura l’apporto continuo di soluzione fresca all’elettrodo e l’allontanamento del materiale che ha reagito. Ciò significa che la sonicazione migliora la cinetica complessiva, accelerando la velocità di reazione e aumentando la resa della reazione.
L’introduzione di energia ultrasonica nel sistema e la formazione sonochimica di radicali liberi possono avviare una reazione elettrochimica che altrimenti sarebbe stata elettroinattiva. Un altro importante effetto della vibrazione e del flusso acustici è l’azione pulente sulle superfici degli elettrodi. Gli strati passivanti e le incrostazioni sugli elettrodi limitano l’efficienza e la velocità delle reazioni elettrochimiche. La sonicazione mantiene gli elettrodi costantemente puliti e pienamente attivi per la reazione. La sonicazione è ben nota per i suoi effetti di degasaggio, utili anche nelle reazioni elettrochimiche. Rimuovendo i gas indesiderati dal liquido, la reazione può procedere con maggiore efficacia.

Applicazioni della sonoelettrochimica

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

• Sintesi di nanoparticelle (elettrosintesi)
• Sintesi dell’idrogeno
• Elettrocoagulazione
• Trattamento delle acque reflue
• Rottura delle emulsioni
• Deposizione galvanica / Elettrodeposizione
• Riscaldamento ohmico

Sintesi sonoelettrochimica di nanoparticelle

La sonicazione è stata applicata con successo per sintetizzare varie nanoparticelle in un sistema elettrochimico. Magnetite, nanotubi di cadmio-selenio (CdSe), nanoparticelle (NP) di platino, NP d’oro, magnesio metallico, bismutene, nanoargento, rame ultrafine, nanoparticelle di lega tungsteno–cobalto (W–Co), nanocomposito di ossido di samario/ossido di grafene ridotto, nanoparticelle di rame di dimensioni inferiori a 1nm rivestite con poli(acido acrilico) e molte altre polveri di dimensioni nanometriche sono stati prodotti con successo mediante la sonoelettrochimica.
I vantaggi della sintesi sonoelettrochimica di nanoparticelle comprendono

• l’eliminazione dell’uso di agenti riducenti e tensioattivi
• l’uso dell’acqua come solvente
• la regolazione delle dimensioni delle nanoparticelle variando i parametri (potenza ultrasonica, densità di corrente, potenziale di deposizione e tempi degli impulsi ultrasonici rispetto a quelli elettrochimici)

Ashasssi-Sorkhabi e Bagheri (2014) hanno sintetizzato film di polipirrolo mediante sonoelettrochimica e hanno confrontato i risultati con quelli dei film di polipirrolo sintetizzati per via elettrochimica. I risultati mostrano che la sonoelettrodeposizione galvanostatica ha prodotto sull’acciaio un film di polipirrolo (PPy) fortemente aderente e liscio, con una densità di corrente di 4 mA cm–2 in una soluzione di acido ossalico 0,1 M/pirrolo 0,1 M. Utilizzando la polimerizzazione sonoelettrochimica, hanno ottenuto film di PPy ad alta resistenza e tenaci, con superficie liscia. È stato dimostrato che i rivestimenti di PPy preparati mediante sonoelettrochimica forniscono una protezione significativa 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 migliorato il trasferimento di massa dei reagenti e determinato elevate velocità delle reazioni chimiche 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 KK, e sono stati osservati bassi errori medi.

Hass e Gedanken (2008) hanno riportato la riuscita sintesi sonoelettrochimica di nanoparticelle di magnesio metallico. Le efficienze del processo sonoelettrochimico del reagente di Gringard in tetraidrofurano (THF) o in una soluzione di dibutildiglima erano rispettivamente del 41,35% e del 33,08%. L’aggiunta di AlCl3 alla soluzione di Gringard ha aumentato drasticamente l’efficienza, portandola rispettivamente all’82,70% e al 51,69% in THF o dibutildiglima.

Produzione sonoelettrochimica di idrogeno

L’elettrolisi promossa dagli ultrasuoni aumenta significativamente la resa di idrogeno dall’acqua o da soluzioni alcaline. Fate clic qui per saperne di più sulla sintesi elettrolitica dell’idrogeno accelerata dagli ultrasuoni!

Elettrocoagulazione assistita dagli ultrasuoni

L’applicazione di ultrasuoni a bassa frequenza ai sistemi di elettrocoagulazione è nota come sonoelettrocoagulazione. Gli studi mostrano 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 alta intensità disgregano gli strati solidi depositati e li rimuovono efficacemente, mantenendo così gli elettrodi costantemente e pienamente attivi. Inoltre, gli ultrasuoni attivano entrambi i tipi di ioni, ossia cationi e anioni, presenti nella zona di reazione degli elettrodi. L’agitazione ultrasonica determina intensi micromovimenti della soluzione, apportando la materia prima agli elettrodi e allontanando il prodotto dagli stessi.
Esempi di processi di sonoelettrocoagulazione riusciti sono la riduzione del Cr(VI) a Cr(III) nelle acque reflue farmaceutiche, la rimozione del fosforo totale dagli effluenti dell’industria della chimica fine con un’efficienza di rimozione del fosforo del 99,5% entro 10 min., 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 erano rispettivamente del 100%, 95%, 100%, 97,3% e 99,84%. (cfr. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradazione sonoelettrochimica degli inquinanti

Le reazioni elettrochimiche di ossidazione e/o riduzione promosse dagli ultrasuoni sono applicate come metodo efficace per degradare gli inquinanti chimici. I meccanismi sonomeccanici e sonochimici promuovono la degradazione elettrochimica degli inquinanti. La cavitazione generata dagli ultrasuoni determina un’intensa agitazione, micromiscelazione, trasferimento di massa e rimozione degli strati passivanti dagli elettrodi. Questi effetti di cavitazione determinano principalmente un miglioramento del trasferimento di massa solido-liquido tra gli elettrodi e la soluzione. Gli effetti sonochimici agiscono direttamente sulle molecole. La scissione omolitica delle molecole crea ossidanti altamente reattivi. Nei mezzi acquosi e in presenza di ossigeno vengono prodotti radicali come HO•, HO2• e O•. È noto che i radicali •OH sono importanti per la decomposizione efficiente dei materiali organici. Nel complesso, la degradazione sonoelettrochimica mostra un’elevata efficienza ed è adatta al trattamento di grandi volumi di flussi di acque reflue e di altri liquidi inquinati.
Ad esempio, Lllanos et al. (2016) hanno riscontrato effetti sinergici significativi per la disinfezione dell’acqua quando il sistema elettrochimico veniva intensificato mediante sonicazione (disinfezione sonoelettrochimica). È stato riscontrato che questo aumento della velocità di disinfezione era correlato alla soppressione degli agglomerati di cellule di E. coli e a una maggiore produzione di specie disinfettanti. Esclapez et al. (2010) hanno mostrato che, durante l’aumento di scala della degradazione dell’acido tricloroacetico (TCAA), è stato utilizzato un reattore sonoelettrochimico appositamente progettato (ma non ottimizzato); la presenza del campo ultrasonico generato con UIP1000hd ha fornito risultati migliori (conversione frazionaria 97%, efficienza di degradazione 26%, selettività 0,92 ed efficienza di corrente 8%) a intensità ultrasoniche e portate volumetriche inferiori. Considerando che il reattore sonoelettrochimico prepilota non era ancora ottimizzato, è molto probabile che questi risultati possano essere ulteriormente migliorati.

Voltammetria ed elettrodeposizione a ultrasuoni

L’elettrodeposizione è stata eseguita in condizioni galvanostatiche con una densità di corrente di 15 mA/cm2. Le soluzioni sono state sottoposte a sonicazione prima dell’elettrodeposizione per 5–60 minuti. Un sonicatore Hielscher UP200S di tipo a sonda è stato utilizzato con un tempo di ciclo di 0,5. La sonicazione è stata effettuata immergendo direttamente la sonda a ultrasuoni nella soluzione. Per valutare l’effetto degli ultrasuoni sulla soluzione prima dell’elettrodeposizione, è stata utilizzata la voltammetria ciclica (CV), che permette di evidenziare il comportamento della soluzione e di prevedere le condizioni ideali per l’elettrodeposizione. Si osserva che, quando la soluzione viene sottoposta a sonicazione 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 nella soluzione si comportano in modo più attivo rispetto a quelle nelle soluzioni non sottoposte a sonicazione. (cfr. Yurdal & Karahan 2017)
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Sonde elettrochimiche ad alte prestazioni e SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics è il vostro partner con una lunga esperienza nei sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni. Produciamo e distribuiamo sonde e reattori a ultrasuoni all’avanguardia, utilizzati in tutto il mondo per applicazioni gravose in ambienti esigenti. Per la sonoelettrochimica, Hielscher ha sviluppato speciali sonde a ultrasuoni che possono fungere da catodo e/o anodo, nonché celle di reattori a ultrasuoni adatte alle reazioni elettrochimiche. Gli elettrodi e le celle a ultrasuoni sono disponibili sia per sistemi galvanici / voltaici sia per sistemi elettrolitici.

Ampiezze controllabili con precisione per risultati ottimali

Tutti i processori a ultrasuoni Hielscher sono controllabili con precisione e costituiscono quindi strumenti di lavoro affidabili nella ricerca e sviluppo e nella produzione. L’ampiezza è uno dei parametri di processo fondamentali che influenzano l’efficienza e l’efficacia delle reazioni indotte per via sonochimica e sonomeccanica. Tutti i processori di Hielscher Ultrasonics consentono un’impostazione precisa dell’ampiezza. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher possono erogare ampiezze molto elevate e fornire l’intensità ultrasonica necessaria per applicazioni sonoelettrochimiche esigenti. È possibile operare facilmente e continuativamente con ampiezze fino a 200µm in funzionamento 24/7.
Le impostazioni precise dell’ampiezza e il monitoraggio continuo dei parametri del processo ultrasonico mediante software intelligente consentono di influenzare con precisione la reazione sonoelettrochimica. Durante ogni ciclo di sonicazione, tutti i parametri ultrasonici vengono registrati automaticamente su una scheda SD integrata, in modo che ogni ciclo possa essere valutato e controllato. Sonicazione ottimale per reazioni sonoelettrochimiche della massima efficienza!
Tutte le apparecchiature sono costruite per l’uso 24/7/365 a pieno carico e la loro robustezza e affidabilità ne fanno strumenti di lavoro instancabili nel vostro processo elettrochimico. Ciò rende le apparecchiature a ultrasuoni Hielscher strumenti di lavoro affidabili che soddisfano i requisiti del vostro processo sonoelettrochimico.

Massima qualità – Progettati e prodotti in Germania

In quanto azienda a proprietà e gestione familiare, Hielscher dà priorità ai più elevati standard qualitativi per i propri processori a ultrasuoni. Tutti i sonicatori vengono progettati, prodotti e accuratamente testati presso la nostra sede centrale di Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l’affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher ne fanno strumenti di lavoro instancabili nella vostra produzione. Il funzionamento 24/7 a pieno carico e in ambienti esigenti è una caratteristica naturale delle sonde e dei reattori a ultrasuoni ad alte prestazioni Hielscher.

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