ソノ電気化学とその利点

ここでは、超音波電気化学(ソノ電気化学)について知っておくべきことを見つけるでしょう:作業原理、アプリケーション、利点、ソノ電気化学装置 – 1ページにソノ電気化学に関するすべての関連情報。

なぜ電気化学に超音波を適用するのですか?

電気化学システムと低周波、高強度の超音波の組み合わせは、電気化学反応の効率と変換率を向上させるマニホールドの利点が付属しています。

超音波の働き原理

高性能超音波処理のために、高強度、低周波超音波は、超音波発生器によって生成され、液体に超音波プローブ(ソトロード)を介して送信されます。高出力超音波は、16-30kHzの範囲で超音波と考えられています。超音波プローブは、例えば、20kHzで膨張し、収縮し、それにより、それぞれ20,000の振動/秒を媒体に送信する。超音波が液体を通過するとき、高圧(圧縮)/低圧(希薄または膨張)サイクルを交互に、いくつかの圧力サイクルにわたって成長する微小な真空気泡または空洞を作成します。液体と気泡の圧縮フェーズでは、圧力は正であり、希薄化相は真空(負圧)を生成します。圧縮膨張サイクルの間、液体中の空洞は、より多くのエネルギーを吸収できない大きさに達するまで成長する。この時点で、彼らは激しく爆発します。これらの空洞の爆発は、音響/超音波キャビテーションの現象として知られている様々な非常にエネルギッシュな効果をもたらす。音響キャビテーションは、液体、固体/液体システム、ならびにガス/液体系に影響を与える、非常にエネルギッシュなマニホールド効果によって特徴付けられる。エネルギー密度ゾーンまたはキャビテーションゾーンは、超音波プローブの近傍で最もエネルギー密度が高く、ソトロードからの距離が増加するにつれて減少する、いわゆるホットスポットゾーンとして知られています。超音波キャビテーションの主な特性は、局所的に発生する非常に高温および圧力とそれぞれの差動、乱流、および液体の流れが含まれる。超音波ホットスポットの超音波空洞の爆発の間に、最大5000ケルビンの温度、最大200の大気の圧力と最大1000km /hの液体ジェットを測定することができます。これらの顕著なエネルギーの強い条件は、様々な方法で電気化学的システムを強化するソノメカニカルおよびソノケミカル効果に貢献します。

Ultrasonic electrodes for sonoelectrochemical applications such as nanoparticle synthesis (electrosynthesis), hydrogen synthesis, electrocoagulation, wastewater treatment, breaking emulsions, electroplating / electrodeposition

超音波プロセッサのプローブ UIP2000hdT (2000ワット、20kHz) 電解槽の中でカソードとアノードとして作用する

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電気化学反応に対する超音波効果

  • 大量移送を増加
  • 固体(電解質)の浸食・分散液
  • 固体/液体境界の破壊
  • 高圧サイクル

電気化学システムに対する超音波の影響

電気化学反応への超音波の適用は、電極、すなわちアノードと陰極、ならびに電解液に様々な影響のために知られている。超音波キャビテーションと音響ストリーミングは、液体ジェットと反応流体への攪拌を妨げ、重要な微小運動を生成します。これにより、流体力学と液体/固体混合物の動きが改善されます。超音波キャビテーションは、電極で拡散層の有効な厚さを減少させます。拡散層の減少とは、超音波処理が濃度差を最小限に抑え、電極付近の濃度の収束とバルク溶液中の濃度値が超音波で促進されることを意味する。反応中の濃度勾配に対する超音波攪拌の影響により、反応した材料の電極への新鮮な溶液の永久的な供給とカートオフが保証されます。これは、超音波処理が反応速度を加速し、反応収率を増加させる全体的な運動学を改善することを意味します。
フリーラジカルの超音波エネルギーの導入と同様に、電気化学反応は、そうでなければ電気不活性であったであろうが、開始することができる。
音響振動と流れのもう一つの重要な効果は、電極表面への洗浄効果です。電極でのパッシベーション層と汚れは、電気化学反応の効率と反応速度を制限します。超音波処理は、永久にクリーンで完全に反応のために電極を維持します。超音波は、電気化学反応にも有益であるその脱気効果のためによく知られています。液体から不要なガスを除去し、反応はより効果的に実行することができます。

超音波促進電気化学の利点

  • 電気化学収率の向上
  • 􏰭強化された電気化学反応速度
  • 全体的な効率の向上
  • 拡散􏰭層の削減
  • 電極での質量移動の改善
  • 電極での表面活性化
  • パッシベーション層の除去と汚れ
  • 􏰭電極の過電􏰭低減
  • ソリューションの効率的な脱気
  • 優れた電気めっき品質
Ultrasonic electrodes improve the efficiency, yield and conversion rate of electrochemical processes.

超音波プローブは電極として機能します。超音波は、効率の向上、より高い収率、より速い変換率をもたらす電気化学反応を促進します。
超音波処理が電気化学と組み合わされるとき、これはソノ電気化学です。

ソノ電気化学の応用

ソノ電気化学は、様々なプロセスや異なる産業に適用することができます。ソノ電気化学の非常に一般的なアプリケーションは、次のとおりです。

  • ナノ粒子合成(電気合成)
  • 水素合成
  • 電気凝固
  • 廃水処理
  • エマルジョンを破る
  • 電気めっき/電着

ナノ粒子のソノ-電気化学合成

超音波処理は、電気化学システムで様々なナノ粒子を合成するために適用されました。マグネタイト、カドミウムセレン(CdSe)ナノチューブ、 白金ナノ粒子(NPs)、金NP、金属マグネシウム、ビスムテン、ナノシルバー、超微細銅、タングステンコバルト(W-Co)合金ナノ粒子、サマリア/還元グラフェン酸化ナノコンポジット、1nm以下ポリ(アクリル酸)をキャップした銅ナノ粒子、その他多くのナノサイズの粉末が、ソノ化学を用いて蘇生されています。
ソノ電気化学ナノ粒子合成の利点は、

  • 還元剤および界面活性剤の回避
  • 溶媒としての水の使用
  • 様々なパラメータによるナノ粒子サイズの調整(超音波パワー、電流密度、堆積電位、超音波対電気化学的パルス時間)

アシャッシ・ソルカビとバゲリ(2014)は、ポリピロールフィルムをソノ電気化学的に合成し、その結果を電気的に合成されたポリピロールフィルムと比較した。この結果、ガルバノスタティックソノポポポ位置は、0.1 Mシュウ酸/0.1 Mピロール溶液中の4 mA cm–2の電流密度を有する、鋼上に強く付着し、滑らかなポリピロール(PPy)フィルムを生成したことを示した。ソノ電気化学重合を用いて、滑らかな表面を持つ高抵抗性および堅いPPyフィルムを得た。ソノ電気化学によって製造されたPPyコーティングは、St-12鋼に実質的な腐食保護を提供することが示されています。合成されたコーティングは均一であり、高い耐食性を示した。これらの結果はすべて、超音波が反応物の物質移動を亢起させ、音響キャビテーションおよび結果として生じる高温および圧力を介して高い化学反応率を引き起こしたという事実に起因する可能性がある。KK変換を用いて、St-12鋼/2個のPPyコーティング/腐食性メディアインターフェースのインピーダンスデータの妥当性を確認し、平均誤差が低い。

ハスとゲダンケン(2008)は、金属マグネシウムナノ粒子のソノ電気化学合成に成功したと報告した。テトラヒドロフラン(THF)またはジブチルディグライム溶液中のグリンガード試薬のソノ電気化学的プロセスにおける効率は、それぞれ41.35%および33.08%であった。Gringard溶液にAlCl3を添加すると効率が劇的に向上し、THFまたはジブチルディグライムでそれぞれ82.70%と51.69%に上昇しました。

ソノ-電気化学水素製造

超音波促進電解は、水またはアルカリ溶液からの水素収率を有意に増加させる。 超音波加速電解水素合成の詳細については、ここをクリックしてください!

超音波アシスト電気凝固

低周波超音波の電気凝固システムへの適用は、ソノ電気凝固として知られている。研究は、超音波処理が電気凝固にプラスの結果、例えば、廃水からの鉄水酸化物のより高い除去効率に影響を与えることを示しています。電気凝固に対する超音波のプラスの影響は、電極パッシベーションの減少によって説明される。低周波、高強度超音波は、堆積固体層を破壊し、効率的にそれらを除去し、それによって電極を連続的に完全に活性に保ちます。さらに、超音波は、イオンタイプ、すなわちイオンと陰イオンの両方を活性化し、電極反応ゾーンに存在する。超音波攪拌は、溶液の高いマイクロムーブメントを供給し、電極との間で原料および製品を運び出す。
ソノ電気凝固プロセスの成功の例としては、医薬品廃水中のCr(VI)をCr(III)に還元し、リン除去効率を有する微化学工業の廃液からの総リンの除去は10分以内に99.5%、パルプおよび紙業界の廃液からの色とCOD除去などが挙げられる。カラー、COD、Cr(VI)、Cu(II)、Pの除去効率は、それぞれ100%、95%、100%、97.3%、99.84%であった。(アル・コダ & アル・シャンナグ,2018)

汚染物質のソーノ電気化学的分解

超音波促進電気化学的酸化および/または還元反応は、化学汚染物質を劣化させる強力な方法として適用されます。ソノメカニカルおよびソノケミカル機構は、汚染物質の電気化学的劣化を促進します。超音波生成キャビテーションは、強烈な攪拌、マイクロ混合、質量移動および電極からの不動態層の除去をもたらす。これらのキャビテーション効果は、主に電極と溶液との間の固液質量移動の増強をもたらす。ソノケミカル効果は分子に直接影響を与えます。分子の均一な切断は、非常に反応性の高い酸化物質を作成します。水媒体および酸素の存在下で、HO•、HO2•およびO•のようなラジカルが製造される。•OHラジカルは、有機材料の効率的な分解のために重要であることが知られています。全体的に、ソノ電気化学的劣化は高効率を示し、大量の排水流およびその他の汚染された液体の処理に適しています。
例えば、Lllanosら(2016)は、超音波処理(ソノ電気化学的消毒)によって電気化学系が増強されたときに水の消毒に対して有意な相乗効果が得られたことを発見した。この消毒率の上昇は、消毒種の産生強化と同様に、大腸菌細胞凝集体の抑制に関連していることが分かった。
Esclapez et al. (2010) トリクロロ酢酸 (TCAA) 分解のスケールアップ中に特に設計されたソノ電気化学反応器 (ただし最適化されていない) が使用されたことを示し、 UIP1000hdで生成された超音波場の存在はより良い結果を提供しました (分数変換 97%, 分解効率 26%, 選択率 0.92 および電流効率 8%)低い超音波強度および容積の流れで。パイロット前のソノ電気化学反応器がまだ最適化されていないという事実を考えると、これらの結果はさらに改善され得る可能性が非常に高い。

超音波ボルタンメトリーと電着

電着は、電流密度15mA/cm2でガルバノ静電気的に行った。溶液は5〜60分間、電着前に超音波処理を行った。ヒールシャー UP200S プローブ式超音波式超音波式 は、サイクルタイム 0.5 で使用されました。超音波は、直接溶液に超音波プローブを浸すことによって達成されました。電極位置の前に溶液に対する超音波の影響を評価するために、環状ボルタンメトリー(CV)を使用して溶液挙動を明らかにし、電着の理想的な条件を予測することを可能にした。溶液が電着前に超音波処理を施されると、堆積がより少ない負の電位値で始まることが観察される。これは、溶液中の種が非超音波化されたものよりも活発に振る舞うように、溶液内の同じ電流で、より少ない電位が必要であることを意味する。(ユルダル & カラハン 2017)

タンク内のカソードおよび/またはアノードとして超音波UIP2000hdT(2000ワット、20kHz)

タンク内のカソードおよび/またはアノードとして超音波UIP2000hdT(2000ワット、20kHz)

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高性能電気化学プローブとソノ電気反応器

ヒールシャー超音波は、高性能超音波システムのためのあなたの長年の経験豊富なパートナーです。我々は、厳しい環境での頑丈なアプリケーションのために世界的に使用されている最先端の超音波プローブ、原子炉を製造し、配布しています。ソノ電気化学のために、ヒールシャーは、陰極および/または陽極として作用することができる特別な超音波プローブ、ならびに電気化学反応に適した超音波反応細胞を開発しました。超音波電極および細胞は、ガルバニック/ボルテージだけでなく、電解システムのために利用可能です。

最適な結果を得るための正確に制御可能な振幅

Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.すべてのヒールシャー超音波プロセッサは、正確に制御可能であり、それによってRで信頼性の高い作業馬&Dと生産。振幅は、ソノ化学的およびソノメカニカルに誘発された反応の効率と有効性に影響を与える重要なプロセスパラメータの1つです。すべてのヒールシャー超音波’ プロセッサは振幅の精密な設定を可能にする。ヒールシャーの産業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供し、要求のソノエレクトロカミカルアプリケーションに必要な超音波強度を提供することができます。最大200μmの振幅は、24時間365日の操作で簡単に連続的に実行できます。
精密振幅設定とスマートソフトウェアを介して超音波プロセスパラメータの恒久的な監視は、あなたのソノ電気化学反応に正確に影響を与える可能性を与えます。すべての超音波処理の実行中に、すべての超音波パラメータは、各実行が評価され、制御することができるように、内蔵のSDカードに自動的に記録されます。最も効率的なソノ電気化学反応のための最適な超音波処理!
すべての装置は全負荷の下で24/7/365の使用のために造られ、そしてその強さおよび信頼性はあなたの電気化学プロセスの仕事馬を作る。これにより、ヒールシャーの超音波装置は、あなたのソノ電気化学プロセスの要件を満たす信頼性の高い作業ツールになります。

最高品質 – ドイツで設計・製造

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

ヒールシャー超音波は、ラボ、パイロット、工業規模でアプリケーション、分散、乳化および抽出を混合するための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。

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