სონო-ელექტროქიმია და მისი უპირატესობები

აქ ნახავთ ყველაფერს, რაც უნდა იცოდეთ ულტრაბგერითი ელექტროქიმიის (სონოელექტროქიმიის) შესახებ: მუშაობის პრინციპი, აპლიკაციები, უპირატესობები და სონო-ელექტროქიმიური აღჭურვილობა. – ყველა შესაბამისი ინფორმაცია სონოელექტროქიმიის შესახებ ერთ გვერდზე.

რატომ გამოიყენება ულტრაბგერითი ელექტროქიმიაში?

დაბალი სიხშირის, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღების ელექტროქიმიურ სისტემებთან კომბინაციას გააჩნია მრავალი სარგებელი, რაც აუმჯობესებს ელექტროქიმიური რეაქციების ეფექტურობას და კონვერტაციის სიჩქარეს.

ულტრაბგერითი მუშაობის პრინციპი

მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის, მაღალი ინტენსივობის, დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა წარმოიქმნება ულტრაბგერითი გენერატორის მიერ და გადაეცემა ულტრაბგერითი ზონდის (სონოტროდის) მეშვეობით სითხეში. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა ითვლება ულტრაბგერით 16-30 kHz დიაპაზონში. ულტრაბგერითი ზონდი ფართოვდება და იკუმშება, მაგ., 20 კჰც სიხშირეზე, რითაც გადასცემს შესაბამისად 20000 ვიბრაციას წამში საშუალოში. როდესაც ულტრაბგერითი ტალღები მოგზაურობენ სითხეში, მაღალი წნევის (შეკუმშვის) / დაბალი წნევის (იშვიათობის ან გაფართოების) ციკლების მონაცვლეობა ქმნის ვაკუუმურ ბუშტებს ან ღრუებს, რომლებიც იზრდება რამდენიმე წნევის ციკლზე. სითხისა და ბუშტების შეკუმშვის ფაზაში წნევა დადებითია, ხოლო იშვიათი ფაზა წარმოქმნის ვაკუუმს (უარყოფითი წნევა). შეკუმშვა-გაფართოების ციკლების დროს სითხეში ღრუები იზრდება მანამ, სანამ არ მიაღწევენ ზომას, რომლის დროსაც ისინი ვერ შთანთქავენ მეტ ენერგიას. ამ დროს ისინი ძალადობრივად აფეთქებენ. ამ ღრუების აფეთქება იწვევს სხვადასხვა უაღრესად ენერგიულ ეფექტებს, რომლებიც ცნობილია როგორც აკუსტიკური/ულტრაბგერითი კავიტაციის ფენომენი. აკუსტიკური კავიტაცია ხასიათდება მრავალფეროვანი მაღალი ენერგეტიკული ეფექტებით, რომლებიც გავლენას ახდენენ სითხეებზე, მყარ/თხევად სისტემებზე, ასევე გაზის/თხევად სისტემებზე. ენერგიით მკვრივი ზონა ან კავიტაციური ზონა ცნობილია, როგორც ეგრეთ წოდებული ცხელი წერტილის ზონა, რომელიც ყველაზე მეტად ენერგიით მკვრივია ულტრაბგერითი ზონდის სიახლოვეს და მცირდება სონოტროდიდან დაშორების ზრდასთან ერთად. ულტრაბგერითი კავიტაციის ძირითადი მახასიათებლები მოიცავს ადგილობრივ ძალიან მაღალ ტემპერატურასა და წნევას და შესაბამის დიფერენციალებს, ტურბულენტობას და სითხის ნაკადს. ულტრაბგერითი ცხელ წერტილებში ულტრაბგერითი ღრუების აფეთქების დროს შეიძლება გაიზომოს ტემპერატურა 5000 კელვინამდე, წნევა 200 ატმოსფერომდე და თხევადი ჭავლები 1000 კმ/სთ-მდე. ეს გამორჩეული ენერგო-ინტენსიური პირობები ხელს უწყობს სონომექანიკურ და სონოქიმიურ ეფექტებს, რომლებიც აძლიერებენ ელექტროქიმიურ სისტემებს სხვადასხვა გზით.

ულტრაბგერითი ეფექტი ელექტროქიმიურ სისტემებზე

ელექტროქიმიურ რეაქციებზე ულტრაბგერითი გამოყენების გამოყენება ცნობილია ელექტროდებზე, ანუ ანოდზე და კათოდზე, აგრეთვე ელექტროლიტურ ხსნარზე სხვადასხვა ზემოქმედებით. ულტრაბგერითი კავიტაცია და აკუსტიკური ნაკადი წარმოქმნის მნიშვნელოვან მიკრო მოძრაობას, არღვევს თხევადი ჭავლებს და აგიტაციას რეაქციის სითხეში. ეს იწვევს ჰიდროდინამიკის გაუმჯობესებას და თხევადი/მყარი ნარევის მოძრაობას. ულტრაბგერითი კავიტაცია ამცირებს დიფუზიური ფენის ეფექტურ სისქეს ელექტროდზე. შემცირებული დიფუზიური ფენა ნიშნავს, რომ გაჟღენთვა ამცირებს კონცენტრაციის განსხვავებას, რაც ნიშნავს, რომ კონცენტრაციის დაახლოება ელექტროდის სიახლოვეს და კონცენტრაციის მნიშვნელობა ნაყარ ხსნარში ხდება ულტრაბგერითი. ულტრაბგერითი აჟიოტაჟის გავლენა კონცენტრაციის გრადიენტებზე რეაქციის დროს უზრუნველყოფს ახალი ხსნარის მუდმივ მიწოდებას ელექტროდზე და რეაქტიული მასალის გამორთვას. ეს ნიშნავს, რომ სონიკირებამ გააუმჯობესა საერთო კინეტიკა, აჩქარებს რეაქციის სიჩქარეს და ზრდის რეაქციას.
სისტემაში ულტრაბგერითი ენერგიის დანერგვით, ისევე როგორც თავისუფალი რადიკალების სონოქიმიური წარმოქმნით, შეიძლება დაიწყოს ელექტროქიმიური რეაქცია, რომელიც სხვაგვარად ელექტროინაქტიური იქნებოდა. აკუსტიკური ვიბრაციისა და ნაკადის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ეფექტი არის გამწმენდი ეფექტი ელექტროდის ზედაპირებზე. ფენების პასივირება და ელექტროდებზე დაბინძურება ზღუდავს ელექტროქიმიური რეაქციების ეფექტურობას და რეაქციის სიჩქარეს. ულტრაბგერითი ინარჩუნებს ელექტროდებს მუდმივად სუფთა და სრულად აქტიური რეაქციისთვის. ულტრაბგერითი დამუშავება კარგად არის ცნობილი მისი დეგაზური ეფექტებით, რაც სასარგებლოა ელექტროქიმიურ რეაქციებშიც. სითხიდან არასასურველი გაზების მოცილებით, რეაქცია შეიძლება უფრო ეფექტური იყოს.

სონოელექტროქიმიის აპლიკაციები

სონოელექტროქიმია შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა პროცესებსა და სხვადასხვა ინდუსტრიებში. სონოელექტროქიმიის ძალიან გავრცელებული გამოყენება მოიცავს შემდეგს:

• ნანონაწილაკების სინთეზი (ელექტროსინთეზი)
• წყალბადის სინთეზი
• ელექტროკოაგულაცია
• Კანალიზაციის გაწმენდა
• ემულსიების დამტვრევა
• გაჭედვა / ელექტროდეპოზიცია

ნანონაწილაკების სონო-ელექტროქიმიური სინთეზი

ულტრაბგერითი წარმატებით იქნა გამოყენებული ელექტროქიმიურ სისტემაში სხვადასხვა ნანონაწილაკების სინთეზისთვის. მაგნიტი, კადმიუმ-სელენი (CdSe) ნანომილები, პლატინის ნანონაწილაკები (NPs), ოქროს NPs, მეტალის მაგნიუმი, ბისმუთენი, ნანო-ვერცხლი, ულტრა წვრილად სპილენძი, ვოლფრამი-კობალტის (W-Co) შენადნობის ნანონაწილაკები, სამარია/შემცირებული ნაგრაფინი 1 ნმ პოლი(აკრილის მჟავას) სპილენძის ნანონაწილაკები და მრავალი სხვა ნანო ზომის ფხვნილი წარმატებით იქნა წარმოებული სონოელექტროქიმიის გამოყენებით.
სონოელექტროქიმიური ნანონაწილაკების სინთეზის უპირატესობებში შედის:

• შემცირების აგენტებისა და ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების თავიდან აცილება
• წყლის, როგორც გამხსნელის გამოყენება
• ნანონაწილაკების ზომის კორექტირება სხვადასხვა პარამეტრებით (ულტრაბგერითი სიმძლავრე, დენის სიმკვრივე, დეპონირების პოტენციალი და ულტრაბგერითი და ელექტროქიმიური პულსის დრო)

აშასი-სორხაბი და ბაგერი (2014) სინთეზირებდნენ პოლიპიროლის ფილებს სონოელექტროქიმიურად და შეადარეს შედეგები ელექტროქეიურად სინთეზირებულ პოლიპიროლის ფილმებს. შედეგებმა აჩვენა, რომ გალვანოსტატიკური სონოელექტროდეპოზიცია წარმოქმნიდა ფოლადზე მჭიდროდ წებოვან და გლუვ პოლიპიროლის (PPy) ფიარს, დენის სიმკვრივით 4 mA სმ–2 0,1 M ოქსილის მჟავას/0,1 M პიროლის ხსნარში. სონოელექტროქიმიური პოლიმერიზაციის გამოყენებით მიიღეს მაღალი რეზისტენტობის და გამძლე PPy ფილმები გლუვი ზედაპირით. ნაჩვენებია, რომ სონოელექტროქიმიის მიერ მომზადებული PPy საფარები უზრუნველყოფს St-12 ფოლადის მნიშვნელოვან კოროზიისგან დაცვას. სინთეზირებული საფარი იყო ერთგვაროვანი და ავლენდა მაღალი კოროზიის წინააღმდეგობას. ყველა ეს შედეგი შეიძლება მივაწეროთ იმ ფაქტს, რომ ულტრაბგერითი აძლიერებდა რეაგენტების მასის გადაცემას და გამოიწვია მაღალი ქიმიური რეაქციების სიჩქარე აკუსტიკური კავიტაციის და შედეგად მიღებული მაღალი ტემპერატურისა და წნევის მეშვეობით. წინაღობის მონაცემების ვალიდობა St-12 ფოლადი/ორი PPy საფარი/კოროზიული მედიის ინტერფეისისთვის შემოწმდა KK ტრანსფორმაციების გამოყენებით და დაფიქსირდა დაბალი საშუალო შეცდომები.

ჰასმა და გედანკენმა (2008) აღნიშნეს მეტალის მაგნიუმის ნანონაწილაკების წარმატებული სონო-ელექტროქიმიური სინთეზი. ტეტრაჰიდროფურანში (THF) ან დიბუტილდიგლიმის ხსნარში გრინგარდის რეაგენტის სონოელექტროქიმიურ პროცესში ეფექტურობა იყო 41,35% და 33,08%, შესაბამისად. გრინგარდის ხსნარში AlCl3-ის დამატებამ ეფექტურობა მკვეთრად გაზარდა, 82,70% და 51,69% აწია THF-ში ან დიბუტილდიგლიმში, შესაბამისად.

სონო-ელექტროქიმიური წყალბადის წარმოება

ულტრაბგერითი ხელშემწყობი ელექტროლიზი მნიშვნელოვნად ზრდის წყალბადის გამომუშავებას წყლის ან ტუტე ხსნარებიდან. დააწკაპუნეთ აქ, რომ წაიკითხოთ მეტი ულტრაბგერითი დაჩქარებული ელექტროლიტური წყალბადის სინთეზის შესახებ!

ულტრაბგერითი დამხმარე ელექტროკოაგულაცია

ელექტროკოაგულაციის სისტემებზე დაბალი სიხშირის ულტრაბგერის გამოყენება ცნობილია როგორც სონო-ელექტროკოაგულაცია. კვლევებმა აჩვენა, რომ ბგერითი ზემოქმედება დადებითად მოქმედებს ელექტროკოაგულაციაზე, რის შედეგადაც, მაგალითად, ჩამდინარე წყლებიდან რკინის ჰიდროქსიდების მოცილების უფრო მაღალი ეფექტურობა. ულტრაბგერის დადებითი გავლენა ელექტროკოაგულაციაზე აიხსნება ელექტროდის პასივაციის შემცირებით. დაბალი სიხშირის, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ანადგურებს დეპონირებულ მყარ ფენას და ეფექტურად შლის მათ, რითაც ინარჩუნებს ელექტროდებს მუდმივად სრულ აქტიურობას. გარდა ამისა, ულტრაბგერითი ააქტიურებს იონის ორივე ტიპს, ანუ კათიონებს და ანიონებს, რომლებიც იმყოფება ელექტროდების რეაქციის ზონაში. ულტრაბგერითი აგიტაცია იწვევს ხსნარის მაღალ მიკრო მოძრაობას, რომელიც კვებავს და ატარებს ნედლეულსა და პროდუქტს ელექტროდებში და უკან.
წარმატებული სონო-ელექტროკოაგულაციის პროცესების მაგალითებია Cr(VI) Cr(III) შემცირება ფარმაცევტულ ჩამდინარე წყლებში, ჯამური ფოსფორის მოცილება მშვენიერი ქიმიური მრეწველობის ჩამდინარე წყლებიდან ფოსფორის მოცილების ეფექტურობით იყო 99.5% 10 წუთში. ფერისა და COD-ის მოცილება მერქნისა და ქაღალდის მრეწველობის ჩამდინარე წყლებიდან და ა.შ. ფერების, COD, Cr(VI), Cu(II) და P მოცილების ეფექტურობა იყო 100%, 95%, 100%, 97.3% და 99.84%. , შესაბამისად. (შდრ. ალ-კოდა & ალ-შანაგი, 2018)

დამაბინძურებლების სონო-ელექტროქიმიური დეგრადაცია

ულტრაბგერითი ხელშემწყობი ელექტროქიმიური დაჟანგვის და/ან შემცირების რეაქციები გამოიყენება როგორც ძლიერი მეთოდი ქიმიური დამაბინძურებლების დასაშლელად. სონომექანიკური და სონოქიმიური მექანიზმები ხელს უწყობს დამაბინძურებლების ელექტროქიმიურ დეგრადაციას. ულტრაბგერითი წარმოქმნილი კავიტაცია იწვევს ინტენსიურ აჟიოტაჟს, მიკრო-შერევას, მასის გადატანას და პასიური ფენების მოცილებას ელექტროდებიდან. ეს კავიტაციური ეფექტები ძირითადად იწვევს ელექტროდებსა და ხსნარს შორის მყარი-თხევადი მასის გადაცემის გაძლიერებას. სონოქიმიური ეფექტები პირდაპირ გავლენას ახდენს მოლეკულებზე. მოლეკულების ჰომოლიზური გაყოფა ქმნის უაღრესად რეაქტიულ ოქსიდანტებს. წყალში და ჟანგბადის თანდასწრებით წარმოიქმნება რადიკალები, როგორიცაა HO•, HO2• და O•. • ცნობილია, რომ OH რადიკალები მნიშვნელოვანია ორგანული მასალების ეფექტური დაშლისთვის. მთლიანობაში, სონო-ელექტროქიმიური დეგრადაცია აჩვენებს მაღალ ეფექტურობას და შესაფერისია დიდი მოცულობის ჩამდინარე წყლების ნაკადებისა და სხვა დაბინძურებული სითხეების დასამუშავებლად.
მაგალითად, Lllanos et al. (2016) აღმოაჩინა, რომ მნიშვნელოვანი სინერგიული ეფექტი მიღწეული იქნა წყლის დეზინფექციისთვის, როდესაც ელექტროქიმიური სისტემა გაძლიერდა სონიკაციით (სონო-ელექტროქიმიური დეზინფექცია). აღმოჩნდა, რომ დეზინფექციის სიჩქარის ეს ზრდა დაკავშირებულია E. coli უჯრედების აგლომერატების დათრგუნვასთან, ისევე როგორც სადეზინფექციო სახეობების გაძლიერებულ წარმოებასთან. ესკლაპესი და სხვ. (2010) აჩვენა, რომ სპეციალურად შექმნილი სონოელექტროქიმიური რეაქტორი (თუმცა არა ოპტიმიზირებული) გამოიყენებოდა ტრიქლოროძმარმჟავას (TCAA) დეგრადაციის გაზრდის დროს, UIP1000hd-ით გენერირებული ულტრაბგერითი ველის არსებობა უკეთეს შედეგებს იძლევა (ფრაქციული კონვერტაცია 97%, დეგრადაციის ეფექტურობა. 26%, სელექციურობა 0.92 და დენის ეფექტურობა 8%) დაბალი ულტრაბგერითი ინტენსივობით და მოცულობითი ნაკადით. თუ გავითვალისწინებთ იმ ფაქტს, რომ წინასწარი პილოტირებადი სონოელექტროქიმიური რეაქტორი ჯერ კიდევ არ იყო ოპტიმიზირებული, ძალიან სავარაუდოა, რომ ეს შედეგები შეიძლება კიდევ უფრო გაუმჯობესდეს.

ულტრაბგერითი ვოლტამეტრია და ელექტროდეპოზიცია

ელექტროდეპოზიცია განხორციელდა გალვანოსტატიკური დენის სიმკვრივით 15 mA/cm2. ხსნარებს ექვემდებარებოდა ულტრაბგერითი დამუშავება ელექტროდეპოზიციამდე 5-60 წუთის განმავლობაში. ჰილშერი UP200S ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი გამოიყენებოდა ციკლის დროს 0.5. ულტრაბგერითი დამუშავება მიიღწევა ულტრაბგერითი ზონდის პირდაპირ ხსნარში ჩასვლით. ხსნარზე ულტრაბგერითი ზემოქმედების შესაფასებლად ელექტროდეპონირებამდე გამოყენებული იქნა ციკლური ვოლტამეტრია (CV) ხსნარის ქცევის გამოსავლენად და შესაძლებელს ხდის ელექტროდეპოზიციისთვის იდეალური პირობების პროგნოზირებას. შეინიშნება, რომ როდესაც ხსნარი ექვემდებარება ულტრაბგერითი დამუშავებას ელექტროდეპონირებამდე, დეპონირება იწყება ნაკლებად უარყოფითი პოტენციური მნიშვნელობებით. ეს ნიშნავს, რომ ხსნარში ერთსა და იმავე დენზე ნაკლები პოტენციალია საჭირო, რადგან ხსნარში არსებული სახეობები უფრო აქტიურები იქცევიან, ვიდრე არაულტრაბგერითი. (შდრ. იურდალი & კარაჰანი 2017)

მაღალი ხარისხის ელექტროქიმიური ზონდები და SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics არის თქვენი დიდი ხნის გამოცდილი პარტნიორი მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი სისტემებისთვის. ჩვენ ვაწარმოებთ და ვავრცელებთ თანამედროვე ულტრაბგერითი ზონდებსა და რეაქტორებს, რომლებიც გამოიყენება მთელ მსოფლიოში მძიმე აპლიკაციებისთვის მომთხოვნ გარემოში. სონოელექტროქიმიისთვის Hielscher-მა შეიმუშავა სპეციალური ულტრაბგერითი ზონდები, რომლებსაც შეუძლიათ იმოქმედონ როგორც კათოდი და/ან ანოდი, ასევე ულტრაბგერითი რეაქტორის უჯრედები, რომლებიც შესაფერისია ელექტროქიმიური რეაქციებისთვის. ულტრაბგერითი ელექტროდები და უჯრედები ხელმისაწვდომია როგორც გალვანური/ვოლტაური, ასევე ელექტროლიტური სისტემებისთვის.

ზუსტად კონტროლირებადი ამპლიტუდები ოპტიმალური შედეგებისთვის

ყველა Hielscher ულტრაბგერითი პროცესორი არის ზუსტად კონტროლირებადი და ამით საიმედო სამუშაო ცხენები რ&D და წარმოება. ამპლიტუდა არის პროცესის ერთ-ერთი გადამწყვეტი პარამეტრი, რომელიც გავლენას ახდენს სონოქიმიურად და სონომექანიკურად გამოწვეული რეაქციების ეფექტურობასა და ეფექტურობაზე. ყველა Hielscher ულტრაბგერითი’ პროცესორები ამპლიტუდის ზუსტი დაყენების საშუალებას იძლევა. Hielscher-ის სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორები შეიძლება მიაწოდოს ძალიან მაღალი ამპლიტუდა და მიაწოდოს საჭირო ულტრაბგერითი ინტენსივობა მოთხოვნადი სონო-ელექტროქიმიური პროგრამებისთვის. 200 μm-მდე ამპლიტუდა შეიძლება ადვილად იყოს გაშვებული 24/7 მუშაობისას.
ზუსტი ამპლიტუდის პარამეტრები და ულტრაბგერითი პროცესის პარამეტრების მუდმივი მონიტორინგი ჭკვიანი პროგრამული უზრუნველყოფის საშუალებით გაძლევთ შესაძლებლობას ზუსტად მოახდინოთ გავლენა სონოელექტროქიმიურ რეაქციაზე. ყოველი გაშვების დროს ულტრაბგერითი ყველა პარამეტრი ავტომატურად ჩაიწერება ჩაშენებულ SD-ბარათზე, რათა ყოველი გაშვება შეფასდეს და კონტროლდებოდეს. ოპტიმალური სონიკა ყველაზე ეფექტური სონოელექტროქიმიური რეაქციებისთვის!
ყველა მოწყობილობა შექმნილია 24/7/365 გამოყენებისთვის სრული დატვირთვით და მისი გამძლეობა და საიმედოობა მას სამუშაო ცხენად აქცევს თქვენს ელექტროქიმიურ პროცესში. ეს ხდის Hielscher-ის ულტრაბგერითი მოწყობილობას საიმედო სამუშაო ინსტრუმენტად, რომელიც აკმაყოფილებს თქვენს sonoelectrochemical პროცესის მოთხოვნებს.

Უმაღლესი ხარისხი – შექმნილია და დამზადებულია გერმანიაში

როგორც საოჯახო და საოჯახო ბიზნესი, Hielscher პრიორიტეტს ანიჭებს უმაღლესი ხარისხის სტანდარტებს მისი ულტრაბგერითი პროცესორებისთვის. ყველა ულტრაბგერითი დაპროექტებულია, დამზადებულია და საფუძვლიანად ტესტირება ჩვენს სათაო ოფისში ტელტოვში, ბერლინთან, გერმანიაში. Hielscher-ის ულტრაბგერითი აღჭურვილობის სიმტკიცე და საიმედოობა მას სამუშაო ცხენად აქცევს თქვენს წარმოებაში. 24/7 მუშაობა სრული დატვირთვით და მომთხოვნი გარემოში არის Hielscher-ის მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ზონდების და რეაქტორების ბუნებრივი მახასიათებელი.

დაგვიკავშირდით ახლავე და გვითხარით თქვენი ელექტროქიმიური პროცესის მოთხოვნების შესახებ! ჩვენ გირჩევთ ყველაზე შესაფერისი ულტრაბგერითი ელექტროდების და რეაქტორის დაყენებას!