Hielscher Ultrasonics
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電気併用超音波処理 – 超音波電極

電気併用超音波処理は、電気の作用と超音波処理の作用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できる、新しく洗練された方法を開発しました。この方法では、超音波電極と液体の界面に超音波のパワーを直接作用させます。そこで電気分解の促進、物質移動の改善、境界層や付着物の破壊が可能になります。Hielscherは、あらゆる規模のバッチプロセスおよびインラインプロセスにおける電気併用超音波処理向けに、生産用の装置を提供しています。電気併用超音波処理は、圧力併用超音波処理（圧力）や熱併用超音波処理（温度）と組み合わせることができます。

超音波電極の用途

電極への超音波の適用は、電気分解、亜鉛めっき、電気的精製、水素生成、電気凝集、粒子合成、その他の電気化学反応におけるさまざまなプロセスに利点をもたらす新しい技術です。Hielscher Ultrasonicsは、実験室規模またはパイロット規模の電気分解の研究開発に使用できる超音波電極をすぐに提供できます。電気分解プロセスを試験して最適化した後は、Hielscher Ultrasonicsの生産規模の超音波装置を使用して、プロセスの成果を工業生産レベルへスケールアップできます。以下では、超音波電極の使用に関する提案と推奨事項をご紹介します。

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超音波電極として使用する、電気的に絶縁された超音波プローブを備えた超音波発振器と振動子

超音波電気化学に使用する超音波電極（陰極）

超音波電気分解

電気分解は、電流を流すことで電子が除去または付加され、原子とイオンが相互に変換される現象です。電気分解の生成物は、電解質とは異なる物理的状態をとることがあります。電気分解では、沈殿物や、いずれかの電極上の固体層など、固体を生成できます。また、水素、塩素、酸素などの気体を生成することもできます。電極を超音波で振動させると、電極表面から固体の付着物を剥離できます。超音波脱気は、マイクロバブルの溶存ガスから、より大きな気泡を迅速に生成します。これにより、気体生成物を電解質からより速く分離できます。

超音波電気分解用途の超音波電極

電解槽内で陰極および／または陽極として使用する超音波装置UIP2000hdT（2000ワット、20kHz）

超音波による電極表面の物質移動の促進

電気分解の過程では、生成物が電極の近傍や電極表面に蓄積します。超音波による攪拌は、境界層での物質移動を増大させる非常に効果的な手段です。この作用によって、新しい電解質が電極表面に接触します。キャビテーションによる流れは、気体や固体などの電気分解生成物を電極表面から運び去ります。そのため、反応を阻害する絶縁層の形成が防止されます。

分解電位に対する超音波の作用

陽極、陰極、または両方の電極を超音波で振動させると、分解電位または分解電圧に影響を及ぼす可能性があります。キャビテーションだけでも、分子を分解し、フリーラジカルやオゾンを生成することが知られています。超音波で促進される電気分解においてキャビテーションと電気分解を組み合わせると、電気分解を起こすために必要な、電解槽の陽極と陰極間の最低電圧に影響を及ぼす可能性があります。また、キャビテーションの機械的作用と超音波化学的作用は、電気分解のエネルギー効率を改善する可能性もあります。

電解精製と電解採取における超音波

電解精製の過程では、銅などの金属の固体付着物を、電解質中の固体粒子の懸濁液に変えることができます。電解抽出とも呼ばれる電解採取では、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ます。電解採取される一般的な金属には、鉛、銅、金、銀、亜鉛、アルミニウム、クロム、コバルト、マンガン、希土類金属、アルカリ金属があります。
超音波処理は、鉱石の浸出にも効果的な手段です。

超音波電気分解による液体の浄化

廃水、汚泥、その他の同様の水溶液などの液体を、二つの電極の電場に通して浄化しましょう。電気分解は、水溶液の消毒や浄化に利用できます。NaCI溶液を水とともに電極を通して、または電極間を横切るように供給すると、Cl2またはCIO2が生成され、これらは不純物を酸化し、水や水溶液を消毒できます。水に天然由来の塩化物が十分に含まれている場合、添加は不要です。
電極の超音波振動によって、電極と水の間の境界層を可能な限り薄くできます。これにより、物質移動を何桁も増大させることができます。超音波振動とキャビテーションは、分極による微小気泡の形成を大幅に低減します。電気分解に超音波電極を使用すると、電解浄化プロセスが大きく改善されます。

超音波電気凝集

電気凝集は、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方法です。また、水を浄化するために放射性イオンを除去することもできます。電気凝集に超音波処理を加えた方法は、超音波電気凝集とも呼ばれ、化学的酸素要求量や濁度の除去効率に好影響をもたらします。電気凝集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除去において、性能が大幅に向上することを示しています。超音波キャビテーションなどのフリーラジカルを生成する工程を電気凝集と組み合わせると、相乗効果が生じ、浄化プロセス全体が改善されます。これらの超音波・電気分解ハイブリッドシステムを使用する目的は、処理効率全体を高め、従来の処理プロセスの欠点を解消することです。超音波・電気凝集ハイブリッド反応器は、水中の大腸菌を不活化することが実証されています。

超音波電気化学用タンク内で陰極および／または陽極として使用する超音波装置UIP2000hdT（2000ワット、20kHz）

タンク内で超音波陰極および／または超音波陽極として使用する超音波装置UIP2000hdT（2000ワット、20kHz）

超音波電気分解による試薬または反応物のその場生成

不均一系反応や触媒反応など、多くの化学プロセスは、超音波による攪拌と超音波キャビテーションから利点を得られます。超音波化学的作用は、反応速度を高めたり、転化収率を改善したりすることができます。
超音波で振動させる電極は、化学反応に新たな強力な手段をもたらします。これにより、超音波化学の利点と電気分解を組み合わせることができます。水素、水酸化物イオン、次亜塩素酸塩、その他の多くのイオンや中性物質を、超音波キャビテーション場の中で直接生成できます。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機能できます。

試薬は、化学反応を起こしたり、反応が起きたかどうかを調べたりするために添加されます。試薬は、化学反応によって必ずしも消費されるわけではありません。
反応物は、化学反応に参加する投入物質です。反応物は、化学反応の生成物を作るために消費されます。

超音波とパルス電場の組み合わせ

パルス電場（PEF）と超音波（US）の組み合わせは、物理化学的化合物や生物活性化合物の抽出、および抽出物の化学構造に好影響をもたらします。アーモンドの抽出では、併用処理（PEF–US）によって、総フェノール類、総フラボノイド、縮合型タンニン、アントシアニン含有量、および抗酸化活性が最高の水準に達しました。この処理は、パワーと金属キレート活性を低下させました。
超音波（US）とパルス電場（PEF）は、物質移動と細胞の透過性を改善することで、発酵プロセスのプロセス効率と生産速度を高めるために使用できます。
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、およびニンジンなどの乾燥野菜の品質に影響を及ぼします。復水特性を維持しながら、乾燥時間を20–40%短縮できます。

超音波電気化学

超音波で促進される電気分解を加えて、反応物を生成したり、化学反応の生成物を消費したりすることで、化学反応の最終的な平衡を移動させたり、化学反応経路を変えたりできます。

超音波電気化学Hielscherは、超音波電気化学プロセスの装置構成で電極として使用できる超音波処理装置を製造しています。この構成を学術研究や製造にご活用ください。超音波処理は電流を増加させ、不動態皮膜を除去し、物質移動を改善することで、反応速度と収率を向上させます。

超音波電極の推奨構成

プローブ型超音波処理装置の革新的な設計によって、標準の超音波ソノトロードを超音波振動する電極に変えることができます。これにより、電極への超音波の利用がより身近になり、組み込みやすく、生産規模へのスケールアップも容易になります。他の設計では、振動させない二つの電極の間にある電解質だけを攪拌していました。遮蔽と超音波の伝播パターンにより、電極を直接振動させる場合と比べて劣る結果となります。陽極または陰極それぞれに超音波振動を加えることができます。もちろん、電極の電圧と極性はいつでも変更できます。Hielscher Ultrasonicsの電極は、既存の構成に容易に後付けできます。

密閉型超音波電解槽と電気化学反応器

超音波ソノトロード（電極）と反応容器の間には、圧力に対して気密性を保つシールを使用できます。そのため、電解槽を周囲圧力とは異なる圧力で運転できます。超音波と圧力の組み合わせは、圧力併用超音波処理と呼ばれます。これは、電気分解で気体が生成される場合、高温で処理する場合、または揮発性の液体成分を扱う場合に有用な可能性があります。気密性の高い電気化学反応器は、周囲圧力より高い圧力でも低い圧力でも運転できます。超音波電極と反応器の間のシールは、導電性にも絶縁性にもできます。後者では、反応器の壁を第二の電極として使用できます。もちろん、反応器に入口と出口のポートを設けて、連続プロセス用のフローセル反応器として使用することもできます。Hielscher Ultrasonicsは、さまざまな標準化された反応器とジャケット付きフローセルを提供しています。また、各種アダプターから選択して、Hielscherのソノトロードをお使いの電気化学反応器に取り付けることもできます。

管型反応器での同心配置

超音波で振動させる電極が、振動させない第二の電極や反応器の壁の近くにある場合、超音波は液体中を伝播し、他の表面にも作用します。管内や反応器内に同心に配置された超音波振動電極は、内壁の汚れや固体の蓄積を防ぐことができます。

温度

標準のHielscherソノトロードを電極として使用する場合、電解質温度は摂氏0–80度とすることができます。それ以外の電解質温度に対応するソノトロードは、摂氏-273度–摂氏500度の範囲で、ご要望に応じて提供できます。超音波と温度の組み合わせは、熱併用超音波処理と呼ばれます。

粘度

電解質の粘度が物質移動を妨げる場合、電気分解中に超音波で攪拌・混合すると、電極への物質移動と電極からの物質移動が改善されるため、有益な可能性があります。

脈動電流を用いた超音波電気分解

超音波で振動させる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では、脈動電流によって、陽極で生成される酸素に対するオゾンの比率を高めることができます。エタノールをパルス電流で電気分解すると、主として酸を生成する代わりに、アルデヒドを生成します。

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電気併用超音波処理用装置

Hielscher Ultrasonicsは、産業用振動子向けに特別な超音波電気化学用アップグレードを開発しました。アップグレードした振動子は、ほぼすべての種類の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、超音波発振器から電気的に絶縁されています。そのため、超音波ソノトロードに電圧を印加し、電極として機能させることができます。ソノトロードと接地接点の間の標準的な絶縁間隔は2.5 mmです。そのため、ソノトロードに最大2500ボルトを印加できる可能性があります。標準のソノトロードは中実で、チタン製です。そのため、電極電流には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の電解質に対して良好な耐食性を示します。ソノトロードの代替材料として、アルミニウム（Al）、鋼（Fe）、ステンレス鋼、ニッケル・クロム・モリブデン、ニオブなども使用可能です。Hielscherは、アルミニウム製や鋼製などの、費用対効果に優れた犠牲陽極ソノトロードを提供しています。

超音波発振器、電源

超音波発振器は改造を必要とせず、接地付きの標準的な電源コンセントを使用します。もちろん、振動子のホーン、および振動子と発振器のすべての外面は、電源コンセントの接地に接続されています。電極電圧に接続される部品は、ソノトロードと支持部材だけです。これにより、構成の設計が容易になります。ソノトロードには、直流（DC）、脈動直流、交流（AC）を接続できます。超音波電極は、陽極または陰極としてそれぞれ使用できます。

電気併用超音波処理プロセス用の生産装置

UIP500hdT、UIP1000hdT、UIP1500hdT、UIP2000hdT、UIP4000hdTなど、いずれのHielscher超音波装置でも、あらゆる標準ソノトロードまたはCascatrodeに最大4000ワットの超音波出力を結合できます。ソノトロード表面の超音波強度は、1ワットから平方センチメートル当たり100ワット ワットとすることができます。振幅が1マイクロメートルから150マイクロメートル（ピーク間）の、さまざまな形状のソノトロードを提供しています。20kHzの超音波周波数は、電解質中でのキャビテーションと音響流の生成に非常に効果的です。Hielscherの超音波装置は、一日24時間、週七日稼働できます。最大出力で連続運転することも、例えば電極の定期的な洗浄のためにパルス運転することもできます。Hielscher Ultrasonicsは、電極一本当たり最大16キロワットの超音波出力（機械的攪拌）を持つ超音波電極を提供できます。電極に接続できる電力には、ほとんど制限がありません。

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超音波電極の使用について詳しい情報をご希望の場合は、以下のフォームをご利用ください。お客様の要件を満たす超音波システムをご提案いたします。





さらにもう一つ：超音波静電噴霧

Hielscher Ultrasonicsは、液体の噴霧、霧化、微粒化、エアロゾル化のための装置を製造しています。超音波噴霧用ソノトロードは、液体の霧やエアロゾルに正の電荷を与えることができます。これにより、例えばコーティングプロセス向けに、超音波噴霧と静電噴霧技術を組み合わせることができます。

関連トピック

文献／参考文献

バッチ構成で使用する超音波陰極および／または陽極

バッチ構成で使用する高出力2000ワットの超音波陰極および／または陽極

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