Sistema per sonoelettrochimica – Ultrasuoni da 2000 watts

La sonoelettrochimica combina i vantaggi dell’elettrochimica con quelli della sonochimica. Il principale vantaggio di queste tecniche risiede nella loro semplicità, nel basso costo, nella riproducibilità e nella scalabilità. Hielscher Ultrasonics offre un sistema completo per sonoelettrochimica da utilizzare in modalità batch e in linea. È composto da:

• un generatore di ultrasuoni avanzato (2000 watts) con sintonizzazione automatica, controllo dell’ampiezza e registrazione sofisticata dei dati,
• un potente trasduttore con corno ultrasonico (di livello industriale, 2000 watts, 20kHz),
• un isolatore elettrico che non riduce le vibrazioni ultrasoniche
• corni booster a ultrasuoni per aumentare o diminuire l’ampiezza
• sonotrodi di varie geometrie (Il sonotrodo è l’elettrodo. Catodo o anodo.)
• un reattore con cella di flusso e pareti della cella intercambiabili (alluminio, acciaio inossidabile, acciaio, rame, …)

Non è necessario perdere tempo a sviluppare un proprio sistema solo per poter combinare gli ultrasuoni con l’elettrochimica. Non occorre apportare modifiche elettriche alle apparecchiature a ultrasuoni standard. Acquistate questo sistema industriale per sonoelettrochimica e concentrate i vostri sforzi e il vostro tempo sulla ricerca chimica e sull’ottimizzazione dei processi!

Sistema pronto all’uso per sonoelettrochimica

Hielscher Ultrasonics offre un sistema sonoelettrochimico facile da usare, con una configurazione adattabile e flessibile. Questo sistema è adatto alla ricerca e allo sviluppo in generale e all’ottimizzazione dei processi, nonché alla produzione su media scala. Il sonotrodo dell’UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) può essere utilizzato come elettrodo in un sistema batch oppure in linea con una cella di flusso. È dotato di un’esclusiva soluzione progettuale per l’isolamento elettrico. L’aggiornamento del trasduttore per applicazioni sonoelettrochimiche non riduce la potenza ultrasonica.
Il sonotrodo/elettrodo standard è realizzato in titanio di grado 5 ed è progettato per ottimizzare l’uniformità dell’intensità ultrasonica lungo la sua superficie laterale. Sono disponibili altre geometrie e altri materiali, come alluminio, acciaio o acciaio inossidabile. Lo speciale reattore a cella di flusso di questa configurazione ha un corpo in alluminio isolato elettricamente dai raccordi in plastica alle due estremità. Il profilato in alluminio può essere utilizzato come elettrodo sacrificale a basso costo e può essere facilmente sostituito con altri materiali, come acciaio, acciaio inossidabile o rame. Sono disponibili celle con altri diametri o geometrie. La cella nel disegno presenta uno spazio di circa 2–4 mm tra l’elettrodo a ultrasuoni e il corpo della cella. Pertanto, le onde ultrasoniche generano anche flussi acustici e cavitazione sul corpo della cella. Tutti i componenti standard di questa configurazione sono disponibili nei nostri magazzini in Germania e negli USA. Naturalmente, è possibile utilizzare lo stesso sistema per tutti gli altri processi a ultrasuoni e sonochimici non elettrici. Questo sistema funziona anche per processi assistiti da ultrasuoni con impulsi elettrici elevati (HEP).

Componenti avanzati di livello industriale

L’UIP2000hdT viene utilizzato da molti clienti per colmare il divario tra le prove da banco e la produzione. Tutti gli strumenti Hielscher sono costruiti per il funzionamento continuo – 24h/7d/365d. L’UIP2000hdT è dotato di schermo tattile, interfaccia Ethernet, registrazione continua 24/7 su scheda SD in formato CSV compatibile con Excel e una termocoppia per il monitoraggio della temperatura. È possibile controllare l’UIP2000hdT tramite il browser. È disponibile un sensore digitale di pressione collegabile all’UIP2000hdT. L’UIP2000hdT può visualizzare la potenza netta effettivamente erogata all’elettrodo. Si tratta della potenza ultrasonica meccanica netta nel liquido. Ciò consente di monitorare e verificare ogni secondo della sonicazione, ad esempio per il controllo o l’ottimizzazione del processo. I dispositivi a ultrasuoni Hielscher forniscono risultati altamente riproducibili e ripetibili. È possibile trasferire i risultati su scala produttiva in modo lineare. Naturalmente, il team tecnico Hielscher vi assisterà nella predisposizione degli esperimenti appropriati e Hielscher collaborerà con voi per far funzionare il vostro processo.

Questo sistema per sonoelettrochimica lascia ben poco a desiderare. L’unica cosa che potrebbe ancora mancare è un secondo UIP2000hdT come secondo elettrodo.

Se vi avvicinate per la prima volta a questo ramo della chimica, di seguito troverete ulteriori informazioni sulla sonochimica, sull’elettrochimica e sulla sonoelettrochimica.

Sonochimica + Elettrochimica = Sonoelettrochimica

La sonoelettrochimica è la combinazione di elettrochimica e sonochimica.

Elettrochimica

L’elettrochimica aggiunge l’elettricità alla chimica fisica. È un metodo avanzato per attivare reagenti o reattanti mediante il trasferimento di elettroni. Consente trasformazioni chimiche mirate e selettive. L’elettrochimica è un fenomeno di superficie.

Sonochimica

La sonochimica aggiunge flussi acustici e cavitazionali ed energia di attivazione alle reazioni chimiche. Il meccanismo più importante nella sonochimica è la cavitazione. Il collasso delle bolle di cavitazione in un campo ultrasonico crea punti caldi localizzati con condizioni estreme, come temperature superiori a 5000 Kelvin, pressioni fino a 1000 atmosfere e getti di liquido fino a 1000 chilometri all’ora. Ciò migliora le reazioni elettrochimiche sulla superficie degli elettrodi.
Scoprite di più sulla sonochimica!

Sonoelettrochimica

La sonoelettrochimica combina le due tecniche sopra menzionate applicando la sonicazione a un sistema elettrochimico. Gli ultrasuoni influenzano importanti parametri elettrochimici e l’efficienza dei processi chimici. La soluzione elettrochimica o l’idrodinamica dell’elettroanalita in una cella elettrochimica vengono notevolmente migliorate dalla presenza di ultrasuoni. L’accoppiamento di un elettrodo a un corno ultrasonico ha effetti positivi sull’attività superficiale dell’elettrodo e sul profilo di concentrazione delle specie dell’elettroanalita nell’intera cella. Gli effetti sonomeccanici migliorano il trasporto di massa delle specie elettrochimiche dal seno della soluzione alla superficie elettroattiva. Un elettrodo a ultrasuoni riduce lo spessore dello strato di diffusione sulla superficie dell’elettrodo, aumenta lo spessore del deposito sull’elettrodo/del rivestimento galvanico, aumenta le velocità, le rese e le efficienze elettrochimiche, aumenta la porosità e la durezza del deposito sull’elettrodo, migliora la rimozione dei gas dalle soluzioni elettrochimiche; pulisce e riattiva la superficie dell’elettrodo, riduce le sovratensioni dell’elettrodo mediante la depassivazione del metallo e la rimozione delle bolle di gas dalla superficie dell’elettrodo (indotte dalla cavitazione e dal flusso acustico) e limita lo sporcamento dell’elettrodo. Le applicazioni della sonoelettrochimica comprendono l’elettropolimerizzazione, l’elettrocoagulazione, l’elettrosintesi organica, l’elettrochimica dei materiali, l’elettrochimica ambientale, la chimica elettroanalitica, la produzione di idrogeno e la deposizione sull’elettrodo.

Sonoelettrochimica nelle applicazioni di chimica in flusso

Se eseguite processi sonoelettrochimici in un sistema in flusso, potete regolare il tempo di permanenza delle reazioni sonoelettrochimiche variando la portata. Potete effettuare il ricircolo per un’esposizione ripetuta oppure pompare il materiale attraverso la cella una sola volta. Il ricircolo può essere vantaggioso per il controllo della temperatura, ad esempio facendo passare il materiale attraverso uno scambiatore di calore per raffreddarlo o riscaldarlo.
Se utilizzate una valvola di contropressione all’uscita del reattore a cella sonoelettrochimica, potete aumentare la pressione all’interno della cella. La pressione all’interno della cella è un parametro molto importante per intensificare la sonicazione e influenzare la produzione di fasi gassose. È importante anche quando si lavora con reattanti o prodotti con un basso punto di ebollizione.
Il funzionamento in modalità a flusso passante consente il funzionamento continuo e quindi la produzione di volumi maggiori.
Se il materiale scorre tra due elettrodi, ad esempio il sonotrodo e la parete della cella, potete ridurre la distanza tra gli elettrodi. Ciò consente un migliore controllo del numero di elettroni trasferiti e una migliore selettività della reazione. Questo può migliorare la precisione, la distribuzione e la resa del prodotto.
In generale, le reazioni sonoelettrochimiche in un sistema con reattore a cella di flusso possono essere molto più rapide della reazione analoga in un processo batch. Reazioni che possono richiedere fino a diverse ore possono essere completate in diversi minuti, ottenendo un prodotto migliore.

Letteratura / Riferimenti

• Bruno G. Pollet; Faranak Foroughi; Alaa Y. Faid; David R. Emberson; Md.H. Islam (2020): Does power ultrasound (26 kHz) affect the hydrogen evolution reaction (HER) on Pt polycrystalline electrode in a mild acidic electrolyte? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 69, December 2020.
• Md H. Islam; Odne S. Burheim; Bruno G.Pollet (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 51, March 2019. 533-555.
• Jayaraman Theerthagiri; Jagannathan Madhavan; Seung Jun Lee; Myong Yong Choi; Muthupandian Ashokkumar; Bruno G. Pollet (2020): Sonoelectrochemistry for energy and environmental applications. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 63, 2020.
• Bruno G. Pollet (2019): Does power ultrasound affect heterogeneous electron transfer kinetics? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 6-12.
• Md Hujjatul Islam; Michael T.Y. Paul; Odne S. Burheim; Bruno G. Pollet (2019): Recent developments in the sonoelectrochemical synthesis of nanomaterials. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 59, 2019.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
• M.D. Esclapez, V. Sáez, D. Milán-Yáñez, I. Tudela, O. Louisnard, J. González-García (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 6, 2010. 1010-1020.
• L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.