エレクトロソニケーション – 超音波電極

エレクトロ・ソニケーションは、電気の効果とソニケーションの効果を組み合わせたものです。Hielscher Ultrasonicsは、あらゆるソノトロードを電極として使用する新しくエレガントな方法を開発しました。これにより、超音波のパワーが超音波電極と液体の界面に直接作用します。そこで電気分解を促進し、物質移動を改善し、境界層や沈殿物を破壊することができます。Hielscher社は、バッチ式およびインライン式プロセスにおいて、あらゆる規模のエレクトロソニケーション・プロセス用の生産グレードの装置を提供しています。エレクトロソニケーションをマノソニケーション（圧力）やサーモソニケーション（温度）と組み合わせることができます。

超音波電極の用途

電極への超音波の応用は、電気分解、亜鉛めっき、電気精製、水素生成、電気凝固、粒子合成、その他の電気化学反応における多くの異なるプロセスに利点をもたらす新しい技術です。Hielscher Ultrasonicsは、ラボスケールまたはパイロットスケールの電解における研究開発のために、超音波電極を用意しています。電解プロセスをテストし、最適化した後、Hielscher Ultrasonicsの生産用サイズの超音波装置を使用して、プロセス結果を工業生産レベルにスケールアップすることができます。以下に、超音波電極の使用に関する提案と推奨事項を示します。

ソノ電解（超音波電解）

電気分解とは、電流の印加によって生じる電子の除去または付加による原子とイオンの交換である。電気分解の生成物は、電解液とは異なる物理的状態を持つことがある。電気分解は、電極のどちらかに沈殿物や固体層などの固体を生成することがある。あるいは、電気分解によって水素、塩素、酸素などの気体が生成されることもある。電極の超音波攪拌は、電極表面から固体沈殿物を破壊することができます。超音波脱ガスは、微細気泡の溶存ガスから大きな気泡を素早く生成します。これにより、電解液からのガス状生成物の分離が速くなります。

電解セルの陰極および陽極としての超音波UIP2000hdT (2000ワット、20kHz)

電極表面での超音波による物質移動の促進

電気分解の過程で、生成物は電極近傍または電極表面に蓄積する。超音波攪拌は、境界層での物質移動を増加させる非常に効果的なツールです。この効果により、新鮮な電解液が電極表面に接触する。キャビテーショナル・ストリームは、ガスや固体などの電解生成物を電極表面から輸送します。そのため、隔離層の形成が抑制される。

分解ポテンシャルに及ぼす超音波の影響

陽極、陰極、または両方の電極の超音波攪拌は、分解電位や分解電圧に影響を与える可能性がある。キャビテーションは単独で分子を破壊し、フリーラジカルやオゾンを生成することが知られている。キャビテーションと電気分解を組み合わせた超音波強化電気分解は、電気分解が起こるために電解セルの陽極と陰極の間に最低限必要な電圧に影響を与える可能性がある。キャビテーションの機械的および超音波化学的効果により、電解のエネルギー効率も向上する可能性がある。

電解精製と電解採取における超音波

電解精錬のプロセスでは、銅のような金属の固体沈殿物を電解液中で固体粒子の懸濁液にすることができる。電解採取とも呼ばれる電解析出では、鉱石からの金属の電解析出を固体沈殿物に変えることができる。一般的な電解金属は、鉛、銅、金、銀、亜鉛、アルミニウム、クロム、コバルト、マンガン、および希土類とアルカリ金属である。 超音波処理は鉱石の浸出にも有効な手段である。

液体の超音波電解精製

廃水や汚泥などの水溶液を2つの電極の電界に通すことにより、液体を浄化する！電気分解は、水溶液を殺菌・浄化することができます。NaCl水溶液を水と一緒に電極を通して、または電極を越えて供給すると、Cl2またはCIO2が生成され、不純物を酸化し、水や水溶液を消毒することができます。水に天然の塩化物が十分に含まれていれば、添加の必要はない。
電極を超音波振動させることで、電極と水の間の境界層をできるだけ薄くすることができる。これにより、物質移動が何桁も改善される。超音波振動とキャビテーションは、分極による微細な気泡の形成を著しく減少させる。電解に超音波電極を使用すると、電解精製プロセスが大幅に改善されます。

ソノ-電気凝固法（超音波電気凝固法）

電気凝集法は、乳化油、全石油系炭化水素、難分解性有機物、浮遊物質、重金属などの汚染物質を除去する廃水処理法である。また、水質浄化のために放射性イオンを除去することもできる。超音波電気凝固（ソノ電気凝固とも呼ばれる）を加えると、化学的酸素要求量や濁度除去効率にプラスの効果がある。電気凝固を組み合わせた処理プロセスは、工業廃水からの汚染物質の除去において大幅に向上した性能を示している。超音波キャビテーションのようなフリーラジカル生成ステップを電気凝集と統合することで、相乗効果が現れ、洗浄プロセス全体が改善される。このような超音波-電解ハイブリッドシステムを採用する目的は、全体的な処理効率を高め、従来の処理プロセスの欠点を解消することである。超音波-電気凝固ハイブリッドリアクターは、水中の大腸菌を不活性化することが実証されている。

超音波 UIP2000hdT (2000ワット、20kHz) を水槽のソノカソードおよび/またはソノアノードとして使用

ソノ電解による試薬または反応物質のその場生成

不均一反応や触媒反応など、多くの化学プロセスは超音波攪拌や超音波キャビテーションの恩恵を受けます。超音波の化学的影響により、反応速度の向上や変換収率の改善が期待できます。
超音波攪拌電極は、化学反応に新たな強力なツールを加えます。これで、超音波化学の利点を電気分解と組み合わせることができます。超音波キャビテーション場で、水素、水酸化物イオン、次亜塩素酸塩、その他多くのイオンや中性物質を生成します。電気分解の生成物は、化学反応の試薬または反応物として作用することができます。

超音波とパルス電界の組み合わせ

パルス電場(PEF)と超音波(US)の組み合わせは、物理化学的、生物活性化合物および抽出物の化学構造の抽出にプラスの効果をもたらす。アーモンドの抽出において、複合処理（PEF-US）は、最高レベルの総フェノール、総フラボノイド、凝縮タンニン、アントシアニン含量および抗酸化活性をもたらした。また、金属キレート活性は低下した。
超音波(US)とパルス電場(PEF)は、物質移動と細胞透過性を改善することにより、発酵プロセスにおけるプロセス効率と生産速度を向上させることができる。
パルス電場と超音波処理の組み合わせは、空気乾燥の速度論とニンジンなどの乾燥野菜の品質に影響を与える。水分補給特性を維持したまま、乾燥時間を20～40％短縮できる。

超音波電気化学 / 超音波電気化学

化学反応の最終平衡を移動させるため、または化学反応経路を変更するために、化学反応の反応物を生成または生成物を消費するために、超音波で強化された電気分解を加える。

超音波電極の推奨セットアップ

プローブ型超音波発生装置の革新的なデザインは、標準的な超音波ソノトロードを超音波振動電極に変えます。これにより、電極用超音波がより身近になり、統合が容易になり、生産レベルまで容易に拡張できるようになった。他の設計では、2つの非撹拌電極の間で電解液を撹拌するだけであった。シャドーイングや超音波の伝搬パターンは、直接電極を攪拌するのに比べて劣った結果をもたらします。陽極または陰極にそれぞれ超音波振動を加えることができる。もちろん、電極の電圧や極性はいつでも変更できます。Hielscher Ultrasonicsの電極は、既存のセットアップに簡単に後付けできます。

密閉型ソノ電解セルと電気化学リアクター

超音波ソノトロード(電極)とリアクター容器の間の圧力密閉が可能です。そのため、電解槽を常圧以外で作動させることができます。超音波と圧力の組み合わせは、マノソニケーションと呼ばれる。これは、電気分解でガスが発生する場合、高温で作業する場合、揮発性の液体成分を扱う場合に有効です。密閉された電気化学リアクターは、常圧以上の圧力でもそれ以下の圧力でも作動することができる。超音波電極と反応器の間のシールは、導電性または絶縁性にすることができる。後者の場合、反応器の壁を第二の電極として使用することができる。もちろん、リアクターは連続プロセス用のフローセルリアクターとして機能するように、入口と出口ポートを持つことができます。Hielscher Ultrasonics社は、様々な標準化されたリアクターとジャケット付きフローセルを提供しています。また、電気化学リアクターにHielscher社製ソノトロードを取り付けるためのアダプターも各種取り揃えています。

パイプリアクターの同心円配置

超音波攪拌電極が第二の非攪拌電極や反応器壁の近くにある場合、超音波は液体中を伝播し、超音波は他の表面にも作用する。配管内や反応器内で同心円状に配置された超音波攪拌電極は、内壁を汚損や固形物の堆積から守ることができる。

温度

標準的なHielscherソノトローデを電極として使用する場合、電解液温度は0～80℃です。その他の電解液温度（摂氏-273度から摂氏500度）用のソノトロードもご要望に応じてご用意できます。超音波と温度の組み合わせは、サーモソニケーションと呼ばれます。

粘度

電解液の粘度が物質移動を阻害する場合、電解中の超音波撹拌混合は、電極への物質移動および電極からの物質移動を改善するため、有益であると考えられる。

脈動電流による超音波電解

超音波で攪拌された電極に脈動電流を流すと、直流(DC)とは異なる生成物が得られます。例えば、希硫酸などの酸性水溶液の電気分解において、脈動電流は陽極で生成される酸素に対するオゾンの割合を増加させることができる。エタノールのパルス電流電解では、主に酸の代わりにアルデヒドが生成される。

エレクトロ・ソニケーション用機器

Hielscher Ultrasonicsは、工業用トランスデューサのための特別なソノエレクトロケミカル・アップグレードを開発しました。このアップグレードトランスデューサーは、ほとんど全てのタイプのHielscherソノトロードに対応します。

超音波電極（ソノトロード）

ソノトロードは超音波発生器から電気的に絶縁されています。従って、超音波ソノトロードを電圧に接続し、ソノトロードを電極として機能させることができます。ソノトロードとアースコンタクト間の標準的な電気絶縁ギャップは2.5mmです。そのため、ソノトロードに最大2500ボルトを印加することができます。標準的なソノトロードは、チタン製の固体です。そのため、電極電流にほとんど制限がありません。チタンは多くのアルカリ性または酸性電解液に対して優れた耐食性を示します。アルミニウム(Al)、鋼鉄(Fe)、ステンレス鋼、ニッケル-クロム-モリブデン、ニオブなどの代替ソノトロード材料も可能です。Hielscherは、アルミニウム製や鋼製など、費用対効果の高い犠牲陽極ソノトロードを提供しています。

超音波発生器、電源

超音波ジェネレーターは何の改造も必要なく、アース付きの標準コンセントを使用します。もちろん、トランスデューサーホーン、トランスデューサーとジェネレーターのすべての外面は、電源コンセントのアースに接続されています。電極電圧に接続されているのは、ソノトロードとブレーシング・エレメントだけです。これにより、セットアップの設計が容易になります。ソノトロードは、直流（DC）、脈動直流、交流（AC）に接続できます。超音波電極は、それぞれ陽極または陰極として動作させることができます。

エレクトロ・ソニケーション・プロセス用製造装置

UIP500hdT、UIP1000hdT、UIP1500hdT、UIP2000hdT、UIP4000hdT などのHielscher社製超音波装置を使用して、標準的なソノトロードまたはカスカトロードに最大4000ワットの超音波出力をカップリングできます。ソノトロード表面の超音波表面強度は、1平方センチメートル当たり1ワットから100ワットワットの間です。振幅が1ミクロンから150ミクロン（ピーク-ピーク）のさまざまなソノトロード形状が利用可能です。20kHzの超音波周波数は、電解液中のキャビテーションと音響ストリーミングの発生に非常に効果的です。Hielscher社の超音波装置は、1日24時間、年中無休で稼働できます。フル出力で連続運転することも、電極の定期的な洗浄などのためにパルス運転することもできます。ヒールシャー・ウルトラソニックは、1つの電極あたり最大16キロワットの超音波出力（機械的攪拌）の超音波電極を供給することができます。電極に接続できる電力にほとんど制限はありません。

もうひとつ：ソノ静電スプレー

Hielscher Ultrasonics社は、液体の噴霧、ネブライジング、霧化、エアロゾル化用の装置を製造しています。超音波噴霧ソノトロードは、液体の霧やエアロゾルに正電荷を与えることができます。これにより、超音波噴霧と静電噴霧技術が組み合わされ、コーティングプロセスなどに使用されます。