園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)について知る必要があるすべてを見つけることができます:動作原理、アプリケーション、利点、ソノ電気化学機器 – SonoElectrochemistryに関するすべての関連情報を1ページに。

なぜ超音波を電気化学に応用するのか?

低周波、高強度の超音波と電気化学システムの組み合わせには、電気化学反応の効率と変換率を向上させるさまざまな利点があります。

超音波の動作原理

高性能超音波処理では、高強度の低周波超音波が超音波発生器によって生成され、超音波プローブ(ソノトロード)を介して液体に伝達されます。高出力超音波は、16〜30kHzの範囲の超音波と見なされます。超音波プローブは、例えば20kHzで膨張および収縮し、それによってそれぞれ毎秒20,000回の振動を媒体に伝達します。超音波が液体中を伝わると、高圧(圧縮)と低圧(希薄化または膨張)のサイクルが交互に繰り返され、微細な真空気泡または空洞が形成され、数回の圧力サイクルで成長します。液体と気泡の圧縮段階では、圧力は正ですが、希薄化段階では真空(負圧)が生成されます。圧縮膨張サイクル中に、液体の空洞は、それ以上のエネルギーを吸収できないサイズに達するまで成長します。この時点で、彼らは激しく崩壊します。これらの空洞の爆縮は、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さまざまな非常にエネルギー的な効果をもたらします。音響キャビテーションは、液体、固体/液体システム、およびガス/液体システムに影響を与える多様な高エネルギー効果を特徴としています。エネルギー密度の高いゾーンまたはキャビテーションゾーンは、いわゆるホットスポットゾーンとして知られており、超音波プローブの近くで最もエネルギー密度が高く、ソノトロードからの距離が長くなるにつれて減少します。超音波キャビテーションの主な特徴は、局所的に発生する非常に高い温度と圧力、およびそれぞれの差、乱流、および液体の流れです。超音波ホットスポットでの超音波共振器の爆縮中に、最大5000ケルビンの温度、最大200気圧の圧力、最大1000km/hの液体ジェットを測定できます。これらの優れたエネルギー集約的な条件は、さまざまな方法で電気化学システムを強化する音響機械的および音響化学的効果に寄与します。

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処理の適用は、電極、すなわちアノードとカソード、ならびに電解液に対するさまざまな影響で知られています。超音波キャビテーションと音響流は、大きな微小運動を発生させ、液体ジェットと攪拌を反応流体に衝突させます。これにより、液体/固体混合物の流体力学と動きが改善されます。超音波キャビテーションは、電極における拡散層の有効厚さを減少させる。拡散層が減少しているということは、超音波処理が濃度差を最小化することを意味し、電極近傍の濃度とバルク溶液中の濃度値の収束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、電極への新鮮な溶液の恒久的な供給と反応した材料のカートオフが保証されます。これは、超音波処理が全体的な動態を改善し、反応速度を加速し、反応収率を増加させることを意味します。
システムへの超音波エネルギーの導入とフリーラジカルの音響化学的形成により、そうでなければ電気不活性であった電気化学反応を開始することができます。
音響振動と音響ストリーミングのもう一つの重要な影響は、電極表面への洗浄効果です。電極の不動態化層と汚れは、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、電極を永久に清潔に保ち、反応のために完全に活性に保ちます。 超音波処理は、電気化学反応にも有益であるその脱気効果でよく知られています。液体から不要なガスを取り除くと、反応はより効果的に進行できます。

ソノ電気化学の応用

音響電気化学は、さまざまなプロセスやさまざまな業界に適用できます。音響電気化学の非常に一般的なアプリケーションには、次のものがあります。

• ナノ粒子合成(電気合成)
• 水素合成
• 電気凝固
• 廃水処理
• エマルジョンの破砕
• 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、電気化学システム内で種々のナノ粒子を合成するために適用することに成功しました。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(NP)、金NP、金属マグネシウム、ビスムテン、ナノ銀、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/還元酸化グラフェンナノ複合材料、サブ1nmポリ(アクリル酸)キャップ銅ナノ粒子および他の多くのナノサイズの粉末は、ソノ電気化学を使用して成功裏に製造されています。
音響電気化学ナノ粒子合成の利点には、

• 還元剤・界面活性剤の回避
• 溶媒としての水の使用
• さまざまなパラメータ(超音波出力、電流密度、堆積電位、超音波パルス時間と電気化学パルス時間)によるナノ粒子サイズの調整

Ashasssi-Sorkhabi and Bagheri(2014)は、ポリピロールフィルムを超音波電気化学的に合成し、その結果を電気化学的に合成されたポリピロールフィルムと比較しました。結果は、ガルバノスタティック超音波電気堆積が、0.1 Mシュウ酸/0.1 Mピロール溶液中で4 mA cm-2の電流密度で、鋼上に強く付着した滑らかなポリピロール(PPy)膜を生成したことを示しています。ソノエレクトロケミカル重合を使用して、彼らは滑らかな表面を持つ高抵抗で強靭なPPyフィルムを得ました。超音波電気化学によって調製された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、高い耐食性を示しました。これらの結果はすべて、超音波が反応物の物質移動を促進し、音響キャビテーションとその結果として生じる高温高圧を介して高い化学反応速度を引き起こしたという事実に起因する可能性があります。St-12鋼/2つのPPyコーティング/腐食性媒体界面のインピーダンスデータの有効性をKK変換を使用して確認し、低い平均誤差が観察されました。

HassとGedanken(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ことを報告しました。テトラヒドロフラン(THF)またはジブチルジクリーム溶液中のGringard試薬の音響電気化学プロセスの効率は、それぞれ41.35%および33.08%でした。Gringard溶液にAlCl3を添加すると、効率が劇的に向上し、THFまたはジブチルジクリームでそれぞれ82.70%と51.69%に上昇しました。

ソノ電気化学水素製造

超音波で促進される電気分解は、水またはアルカリ溶液からの水素収率を著しく増加させる。 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!

超音波支援電気凝固術

電気凝固システムへの低周波超音波の応用は、ソノ電気凝固として知られています。研究によると、超音波処理は電気凝固にプラスの影響を及ぼし、例えば、廃水からの水酸化鉄のより高い除去効率をもたらす。超音波が電気凝固に与えるプラスの影響は、電極の不動態化の減少によって説明されます。低周波、高強度の超音波は、堆積した固体層を破壊し、それらを効率的に除去し、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、電極反応ゾーンに存在する両方のイオンタイプ、すなわち陽イオンと陰イオンを活性化します。超音波攪拌は、溶液の高い微小運動をもたらし、電極との間で原材料および製品を供給および運び去る。
ソノ電気凝固法の成功例としては、医薬品廃水中のCr(VI)からCr(III)への還元、ファインケミカル業界の排水からの全リンの除去、10分以内に99.5%のリン除去効率、紙パルプ業界の排水からの色とCODの除去などがあります。報告された色の除去効率は、COD、Cr(VI)、Cu(II)、およびPのそれぞれ100%、95%、100%、97.3%、および99.84%でした。(アル・コダ参照) & アル・シャナグ、2018)

汚染物質のソノ電気化学的分解

超音波で促進された電気化学的酸化および/または還元反応は、化学汚染物質を分解するための強力な方法として適用されます。音響力学的および音響化学的メカニズムは、汚染物質の電気化学的劣化を促進します。超音波で生成されたキャビテーションは、激しい攪拌、マイクロミキシング、物質移動、および電極からの不動態化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物質移動の増強をもたらします。音響化学的効果は分子に直接影響を与えます。分子のホモリシス性切断は、反応性の高い酸化剤を生成します。水性媒体中および酸素の存在下では、HO•、HO2•、O•などのラジカルが生成されます。•OHラジカルは、有機物の効率的な分解に重要であることが知られています。全体として、ソノ電気化学的分解は高い効率を示し、大量の廃水の流れや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 et al.(2016)は、電気化学システムが超音波処理(ソノ電気化学的消毒)によって強化されると、水消毒に対して有意な相乗効果が得られることを発見しました。この消毒率の増加は、大腸菌細胞凝集体の抑制と消毒剤種の産生の増加に関連していることがわかりました。
Esclapezら(2010)は、特別に設計された超音波電気化学反応器(ただし最適化されていない)がトリクロロ酢酸(TCAA)分解のスケールアップ中に使用されたことを示し、UIP1000hdで生成された超音波フィールドの存在は、より低い超音波強度および体積流量でより良い結果(フラクショナル変換97%、劣化効率26%、選択性0.92および電流効率8%)を提供した。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かったという事実を考慮すると、これらの結果はさらに改善できる可能性が非常に高いです。

超音波ボルタンメトリーと電着

電着は、電流密度15mA/cm2でガルバノスタティックに行った。溶液を電着前に5〜60分間超音波処理した。ヒールシャー UP200Sプローブ型超音波装置 0.5 のサイクル時間で使用されました。超音波処理は、超音波プローブを溶液に直接浸すことによって達成された。電着前の溶液への超音波影響を評価するために、サイクリックボルタンメトリー(CV)を使用して溶液の挙動を明らかにし、電着の理想的な条件を予測することを可能にしました。溶液を電着前に超音波処理すると、堆積はより少ない負の電位値で始まることが観察されます。これは、溶液中の同じ電流では、溶液中の種が非超音波処理された種よりも活性に振る舞うため、必要な電位が少なくなることを意味します。(ユルダル参照) & カラハン 2017)

高性能電気化学プローブおよびソノエレクトロリアクター

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。当社は、最先端の超音波プローブとリアクターを製造・販売しており、要求の厳しい環境でのヘビーデューティアプリケーションに世界中で使用されています。超音波電気化学のために、ヒールシャーは、電気化学反応に適した超音波反応器セルと同様に、陰極および/または陽極として機能することができる特別な超音波プローブを開発しました。超音波電極とセルは、ガルバニック/ボルタ、電解システムに使用できます。

最適な結果を得るために正確に制御可能な振幅

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、したがってRの信頼性の高い作業馬です&Dとプロダクション。振幅は、音響化学的および音響力学的に誘導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、振幅の正確な設定を可能にします。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、要求の厳しい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、24/7操作で簡単に連続運転できます。
正確な振幅設定とスマートソフトウェアによる超音波プロセスパラメータの恒久的な監視により、音電気化学反応に正確に影響を与えることができます。すべての超音波処理実行中に、すべての超音波パラメータが内蔵SDカードに自動的に記録されるため、各実行を評価および制御することができます。最も効率的な音響電気化学反応のための最適な超音波処理!
すべての機器は、全負荷状態での24/7/365の使用のために構築されており、その堅牢性と信頼性により、電気化学プロセスの主力製品となっています。これにより、ヒールシャーの超音波装置は、あなたの超音波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 – ドイツで設計および製造

家族経営の企業として、ヒールシャーは、その超音波プロセッサのための最高の品質基準を優先しています。すべての超音波装置は、ドイツのベルリン近郊のテルトウにある本社で設計、製造、徹底的にテストされています。ヒールシャーの超音波装置の堅牢性と信頼性は、それをあなたの生産の働き者にします。全負荷下で、要求の厳しい環境での24 / 7操作は、ヒールシャーの高性能超音波プローブと反応器の自然な特性です。

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