სონოელექტროქიმია და მისი უპირატესობები

აქ იპოვით ყველაფერს, რაც უნდა იცოდეთ ულტრაბგერითი ელექტროქიმიის (სონოელექტროქიმიის) შესახებ: მოქმედების პრინციპი, გამოყენების სფეროები, უპირატესობები და სონოელექტროქიმიული აღჭურვილობა – ყველა შესაბამისი ინფორმაცია სონოელექტროქიმიის შესახებ ერთ გვერდზე.

რატომ გამოიყენება ულტრაბგერა ელექტროქიმიაში?

დაბალი სიხშირის, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღების კომბინაცია ელექტროქიმიურ სისტემებთან მრავალგვარ სარგებელს მოაქვს, რაც აუმჯობესებს ელექტროქიმიური რეაქციების ეფექტურობასა და გარდაქმნის მაჩვენებელს.

ულტრაბგერის მოქმედების პრინციპი

მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის მაღალი ინტენსივობის, დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა გენერირდება ულტრაბგერითი გენერატორით და ულტრაბგერითი ზონდის (სონოტროდის) მეშვეობით სითხეში გადაიცემა. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერად მიიჩნევა ულტრაბგერა 16–30kHz დიაპაზონში. ულტრაბგერითი ზონდი ფართოვდება და იკუმშება, მაგალითად, 20kHz სიხშირით, რითაც გარემოს წამში 20 000 რხევას გადასცემს. როდესაც ულტრაბგერითი ტალღები სითხეში ვრცელდება, მაღალი წნევის (შეკუმშვის) და დაბალი წნევის (გაიშვიათების ან გაფართოების) მონაცვლე ციკლები წარმოქმნის ვაკუუმის უმცირეს ბუშტუკებს ან ღრუებს, რომლებიც წნევის რამდენიმე ციკლის განმავლობაში იზრდება. სითხისა და ბუშტუკების შეკუმშვის ფაზაში წნევა დადებითია, ხოლო გაიშვიათების ფაზაში წარმოიქმნება ვაკუუმი (უარყოფითი წნევა). შეკუმშვა-გაფართოების ციკლების დროს სითხეში არსებული ღრუები იზრდება მანამ, სანამ ისეთ ზომას არ მიაღწევს, რომ მეტ ენერგიას ვეღარ შთანთქავს. ამ დროს ისინი მკვეთრად კოლაფსირდება. ამ ღრუების კოლაფსი წარმოქმნის სხვადასხვა მაღალენერგიულ ეფექტს, რომლებიც ცნობილია როგორც აკუსტიკური / ულტრაბგერითი კავიტაციის ფენომენი. აკუსტიკური კავიტაცია ხასიათდება მრავალგვარი მაღალენერგიული ეფექტით, რომლებიც მოქმედებს სითხეებზე, მყარი ნივთიერება/სითხის სისტემებსა და აირი/სითხის სისტემებზე. ენერგიის მაღალი სიმკვრივის ზონა, ანუ კავიტაციური ზონა, ცნობილია როგორც ე.წ. ცხელი წერტილების ზონა. ენერგიის სიმკვრივე ყველაზე მაღალია ულტრაბგერითი ზონდის უშუალო სიახლოვეს და სონოტროდიდან დაშორების ზრდასთან ერთად მცირდება. ულტრაბგერითი კავიტაციის ძირითადი მახასიათებლებია ლოკალურად წარმოქმნილი ძალიან მაღალი ტემპერატურები და წნევები, მათი შესაბამისი სხვაობები, ტურბულენტობა და სითხის ნაკადები. ულტრაბგერით ცხელ წერტილებში კავიტაციური ღრუების კოლაფსის დროს შესაძლებელია გაიზომოს ტემპერატურა 5000 კელვინამდე, წნევა 200 ატმოსფერომდე და სითხის ჭავლები 1000km/h-მდე სიჩქარით. ენერგიის მაღალი ინტენსივობის ეს განსაკუთრებული პირობები ხელს უწყობს სონომექანიკურ და სონოქიმიურ ეფექტებს, რომლებიც ელექტროქიმიურ სისტემებში მიმდინარე პროცესებს სხვადასხვა გზით აძლიერებს.

ულტრაბგერის ეფექტები ელექტროქიმიურ სისტემებზე

ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენება ელექტროქიმიურ რეაქციებში ცნობილია ელექტროდებზე, ანუ ანოდსა და კათოდზე, ასევე ელექტროლიტურ ხსნარზე მრავალგვარი გავლენით. ულტრაბგერითი კავიტაცია და აკუსტიკური ნაკადი სარეაქციო სითხეში წარმოქმნის მნიშვნელოვან მიკრომოძრაობას, ზედაპირზე დამრტყმელ სითხის ჭავლებსა და შერევას. ეს აუმჯობესებს ჰიდროდინამიკასა და სითხისა და მყარი ნივთიერების ნარევის მოძრაობას. ულტრაბგერითი კავიტაცია ამცირებს ელექტროდზე დიფუზიური ფენის ეფექტურ სისქეს. დიფუზიური ფენის შემცირება ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება მინიმუმამდე ამცირებს კონცენტრაციათა სხვაობას, ანუ ხელს უწყობს ელექტროდის სიახლოვეს არსებული კონცენტრაციისა და ხსნარის ძირითად მოცულობაში არსებული კონცენტრაციის მნიშვნელობების დაახლოებას. რეაქციის დროს კონცენტრაციის გრადიენტებზე ულტრაბგერითი შერევის გავლენა უზრუნველყოფს ელექტროდთან ახალი ხსნარის მუდმივ მიწოდებასა და რეაქციაში შესული მასალის მოცილებას. ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება აუმჯობესებს რეაქციის საერთო კინეტიკას, აჩქარებს რეაქციას და ზრდის მის გამოსავლიანობას.
ულტრაბგერითი ენერგიის სისტემაში შეტანისა და ულტრაბგერითი ქიმიური გზით თავისუფალი რადიკალების წარმოქმნის შედეგად შესაძლებელია იმ ელექტროქიმიური რეაქციის ინიცირება, რომელიც წინააღმდეგ შემთხვევაში ელექტროქიმიურად არააქტიური იქნებოდა. აკუსტიკური ვიბრაციისა და ნაკადის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ეფექტია ელექტროდის ზედაპირების გაწმენდა. პასივირებადი ფენები და ელექტროდებზე დაგროვება ზღუდავს ელექტროქიმიური რეაქციების ეფექტურობასა და სიჩქარეს. ულტრაბგერითი დამუშავება ელექტროდებს მუდმივად სუფთა და რეაქციისთვის სრულად აქტიურს ინარჩუნებს. ულტრაბგერითი დამუშავება ცნობილია თავისი დეგაზირების ეფექტებით, რომლებიც ასევე სასარგებლოა ელექტროქიმიურ რეაქციებში. სითხიდან არასასურველი გაზების მოცილებით, რეაქცია უფრო ეფექტურად მიმდინარეობს.

სონოელექტროქიმიის გამოყენების სფეროები

სონოელექტროქიმია შესაძლებელია გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა პროცესებში და სხვადასხვა ინდუსტრიებში. სონოელექტროქიმიის ძალიან გავრცელებული გამოყენების სფეროები მოიცავს შემდეგს:

• ნანონაწილაკების სინთეზი (ელექტროსინთეზი)
• წყალბადის სინთეზი
• ელექტროკოაგულაცია
• ჩამდინარე წყლების დამუშავება
• ემულსიების დაშლა
• ელექტროგალვანური დაფარვა / ელექტროდაფარვა
• ომური გათბობა

ნანონაწილაკების სონოელექტროქიმიული სინთეზი

ულტრაბგერითი დამუშავება წარმატებით იქნა გამოყენებული ელექტროქიმიურ სისტემაში სხვადასხვა ნანონაწილაკის სინთეზისთვის. მაგნეტიტი, კადმიუმ-სელენიუმის (CdSe) ნანომილაკები, პლატინის ნანონაწილაკები (NPs), ოქროს NPs, მეტალური მაგნიუმი, ბისმუთენი, ნანოვერცხლი, ულტრაწვრილი სპილენძი, ვოლფრამ-კობალტის (W–Co) შენადნობის ნანონაწილაკები, სამარიუმის ოქსიდისა და აღდგენილი გრაფენის ოქსიდის ნანოკომპოზიტი, პოლიაკრილის მჟავით დაფარული, 1nm-ზე ნაკლები ზომის სპილენძის ნანონაწილაკები და მრავალი სხვა ნანოზომის ფხვნილი წარმატებით იქნა მიღებული სონოელექტროქიმიის გამოყენებით.
ნანონაწილაკების სონოელექტროქიმიული სინთეზის უპირატესობები მოიცავს

• აღმდგენი ნივთიერებებისა და ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების გამოყენების თავიდან აცილებას
• წყლის გამოყენებას გამხსნელად
• ნანონაწილაკების ზომის რეგულირებას პარამეტრების ცვლილებით (ულტრაბგერითი სიმძლავრე, დენის სიმკვრივე, ელექტროდალექვის პოტენციალი და ულტრაბგერითი და ელექტროქიმიური იმპულსების ხანგრძლივობები)

Ashasssi-Sorkhabi-მ და Bagheri-მ (2014) სონოელექტროქიმიურად მოახდინეს პოლიპიროლის ფირების სინთეზი და შედეგები ელექტროქიმიურად სინთეზირებულ პოლიპიროლის ფირებს შეადარეს. შედეგები აჩვენებს, რომ გალვანოსტატიკურმა სონოელექტროდალექვამ ფოლადზე წარმოქმნა მტკიცედ მიკრული და გლუვი პოლიპიროლის (PPy) ფირი, 4 mA cm–2 დენის სიმკვრივის პირობებში, 0,1 M მჟაუნმჟავას/0,1 M პიროლის ხსნარში. სონოელექტროქიმიური პოლიმერიზაციის გამოყენებით მათ მიიღეს მაღალი წინაღობისა და სიმტკიცის მქონე PPy ფირები გლუვი ზედაპირით. ნაჩვენებია, რომ სონოელექტროქიმიით მომზადებული PPy საფარები St-12 ფოლადს კოროზიისგან მნიშვნელოვნად იცავს. სინთეზირებული საფარი ერთგვაროვანი იყო და კოროზიისადმი მაღალი მდგრადობით გამოირჩეოდა. ყველა ეს შედეგი შეიძლება აიხსნას იმით, რომ ულტრაბგერამ გააუმჯობესა რეაგენტების მასის გადატანა და აკუსტიკური კავიტაციისა და მის შედეგად წარმოქმნილი მაღალი ტემპერატურებისა და წნევების მეშვეობით ქიმიური რეაქციების მაღალი სიჩქარე უზრუნველყო. St-12 ფოლადის/ორი PPy საფარის/კოროზიული გარემოს გამყოფი ზედაპირისთვის იმპედანსის მონაცემების სანდოობა KK გარდაქმნების გამოყენებით შემოწმდა და დაბალი საშუალო ცდომილებები დაფიქსირდა.

Hass-მა და Gedanken-მა (2008) აღწერეს მეტალური მაგნიუმის ნანონაწილაკების წარმატებული სონოელექტროქიმიური სინთეზი. გრინიარის რეაგენტის სონოელექტროქიმიური პროცესის ეფექტურობა ტეტრაჰიდროფურანში (THF) ან დიბუტილდიგლიმის ხსნარში იყო, შესაბამისად, 41,35% და 33,08%. გრინიარის ხსნარში AlCl3-ის დამატებამ ეფექტურობა მკვეთრად გაზარდა და THF-ში 82,70%-მდე, ხოლო დიბუტილდიგლიმში 51,69%-მდე აიყვანა.

სონოელექტროქიმიური წყალბადის წარმოება

ულტრაბგერით ხელშეწყობილი ელექტროლიზი მნიშვნელოვნად ზრდის წყალბადის გამოსავლიანობას წყლიდან ან ტუტე ხსნარებიდან. დააწკაპუნეთ აქ, რომ მეტი გაიგოთ ულტრაბგერით დაჩქარებული წყალბადის ელექტროლიზური სინთეზის შესახებ!

ულტრაბგერით ხელშეწყობილი ელექტროკოაგულაცია

დაბალი სიხშირის ულტრაბგერის გამოყენება ელექტროკოაგულაციის სისტემებში ცნობილია როგორც სონოელექტროკოაგულაცია. კვლევები აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება დადებითად მოქმედებს ელექტროკოაგულაციაზე, რაც, მაგალითად, იწვევს რკინის ჰიდროქსიდების უფრო მაღალ მოცილების ეფექტურობას საკანალიზაციო წყლიდან. ულტრაბგერის დადებითი გავლენა ელექტროკოაგულაციაზე აიხსნება ელექტროდების პასივაციის შემცირებით. დაბალი სიხშირის, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერა ანადგურებს დალექილ მყარ ფენას და ეფექტურად აცილებს მას, რითაც ელექტროდებს უწყვეტად სრულად აქტიურს ინარჩუნებს. გარდა ამისა, ულტრაბგერა ააქტიურებს ორივე ტიპის იონს, ანუ კატიონებს და ანიონებს, რომლებიც ელექტროდების რეაქციის ზონაშია წარმოდგენილი. ულტრაბგერითი აგიტაცია იწვევს ხსნარის მაღალ მიკრომოძრაობას, რაც საშუალებას აძლევს საწყის მასალას და პროდუქტს გადაადგილდეს ელექტროდებისკენ და ელექტროდებიდან.
წარმატებული სონოელექტროკოაგულაციის პროცესების მაგალითებია Cr(VI)-ის Cr(III)-მდე აღდგენა ფარმაცევტულ ჩამდინარე წყლებში, ჯამური ფოსფორის მოცილება ნატიფი ქიმიური მრეწველობის ჩამდინარე წყლებიდან, სადაც ფოსფორის მოცილების ეფექტურობამ 10 წუთში 99,5% შეადგინა, ფერისა და COD-ის მოცილება ცელულოზისა და ქაღალდის მრეწველობის ჩამდინარე წყლებიდან და ა.შ. ფერის, COD-ის, Cr(VI)-ის, Cu(II)-ისა და P-ის მოცილების დაფიქსირებული ეფექტურობა იყო, შესაბამისად, 100%, 95%, 100%, 97,3% და 99,84%. (იხ. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

დამაბინძურებლების სონოელექტროქიმიური დაშლა

ულტრაბგერით ხელშეწყობილი ელექტროქიმიური ჟანგვის და/ან აღდგენის რეაქციები გამოიყენება, როგორც ქიმიური დამაბინძურებლების დაშლის მძლავრი მეთოდი. სონომექანიკური და სონოქიმიური მექანიზმები ხელს უწყობს დამაბინძურებლების ელექტროქიმიურ დაშლას. ულტრაბგერით წარმოქმნილი კავიტაცია იწვევს ინტენსიურ აღრევას, მიკროშერევას, მასის გადატანას და ელექტროდებიდან პასივაციის ფენების მოცილებას. ეს კავიტაციული ეფექტები ძირითადად აუმჯობესებს მასის გადატანას მყარ და თხევად ფაზებს შორის, კერძოდ, ელექტროდებსა და ხსნარს შორის. სონოქიმიური ეფექტები პირდაპირ მოქმედებს მოლეკულებზე. მოლეკულების ჰომოლიზური გახლეჩა წარმოქმნის მაღალი რეაქციისუნარიანობის მქონე მჟანგავებს. წყლიან გარემოში და ჟანგბადის არსებობისას წარმოიქმნება რადიკალები, როგორიცაა HO•, HO2• და O•. ცნობილია, რომ •OH რადიკალები მნიშვნელოვანია ორგანული მასალების ეფექტური დაშლისთვის. ზოგადად, სონოელექტროქიმიური დაშლა გამოირჩევა მაღალი ეფექტურობით და შესაფერისია დიდი მოცულობის ჩამდინარე წყლების ნაკადებისა და სხვა დაბინძურებული სითხეების დასამუშავებლად.
მაგალითად, Lllanos et al. (2016) დაადგინეს, რომ წყლის დეზინფექციისას მნიშვნელოვანი სინერგიული ეფექტი მიიღებოდა, როდესაც ელექტროქიმიური სისტემა ულტრაბგერითი დამუშავებით ძლიერდებოდა (სონოელექტროქიმიური დეზინფექცია). დეზინფექციის სიჩქარის ეს ზრდა დაკავშირებული იყო E. coli-ის უჯრედების აგლომერატების წარმოქმნის დათრგუნვასთან, ასევე სადეზინფექციო მოქმედების მქონე ქიმიური ნაწილაკების გაძლიერებულ წარმოქმნასთან. Esclapez et al. (2010) აჩვენეს, რომ ტრიქლოროძმარმჟავას (TCAA) დაშლის პროცესის მასშტაბის გაზრდისას გამოიყენებოდა სპეციალურად დაპროექტებული სონოელექტროქიმიური რეაქტორი (თუმცა არაოპტიმიზებული), ხოლო UIP1000hd-ით გენერირებული ულტრაბგერითი ველი უზრუნველყოფდა უკეთეს შედეგებს (გარდაქმნის წილი 97%, დაშლის ეფექტურობა 26%, სელექციურობა 0,92 და დენის ეფექტურობა 8%) ულტრაბგერის უფრო დაბალი ინტენსივობისა და ნაკლები მოცულობითი ხარჯის პირობებში. იმის გათვალისწინებით, რომ წინასაპილოტო სონოელექტროქიმიური რეაქტორი ჯერ არ იყო ოპტიმიზებული, დიდი ალბათობით, ამ შედეგების კიდევ უფრო გაუმჯობესება შესაძლებელია.

ულტრაბგერითი ვოლტამპერომეტრია და ელექტროდალექვა

ელექტროდალექვა ჩატარდა გალვანოსტატიკურ რეჟიმში, დენის სიმკვრივით 15 mA/cm2. ელექტროდალექვამდე ხსნარებს 5–60 წუთის განმავლობაში ულტრაბგერით ამუშავებდნენ. Hielscher UP200S პრობის ტიპის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი გამოიყენებოდა ციკლის დროით 0,5. ულტრაბგერითი დამუშავება ხორციელდებოდა ულტრაბგერითი ზონდის უშუალოდ ხსნარში ჩაძირვით. ელექტროდალექვამდე ხსნარზე ულტრაბგერითი ზემოქმედების შესაფასებლად გამოიყენებოდა ციკლური ვოლტამპერომეტრია (CV), რომელიც ავლენს ხსნარის ქცევას და ელექტროდალექვის იდეალური პირობების პროგნოზირების საშუალებას იძლევა. დაფიქსირდა, რომ ელექტროდალექვამდე ხსნარის ულტრაბგერითი დამუშავებისას დალექვა ნაკლებად უარყოფითი პოტენციალის მნიშვნელობებზე იწყება. ეს ნიშნავს, რომ ხსნარში იმავე დენის მისაღებად ნაკლები პოტენციალია საჭირო, რადგან ხსნარში არსებული ქიმიური ნაწილაკები უფრო აქტიურია, ვიდრე ულტრაბგერით დაუმუშავებელ ხსნარებში. (იხ. Yurdal & Karahan 2017)
გაიგეთ მეტი ნანოსტრუქტურებით გაუმჯობესებული საფარების სონოელექტროქიმიური დალექვის შესახებ!

მაღალი წარმადობის ელექტროქიმიური პრობები და სონოელექტრორეაქტორები

Hielscher Ultrasonics არის თქვენი დიდი გამოცდილების მქონე პარტნიორი მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი სისტემების სფეროში. ჩვენ ვამზადებთ და ვავრცელებთ თანამედროვე ულტრაბგერით ზონდებსა და რეაქტორებს, რომლებიც მთელ მსოფლიოში გამოიყენება რთულ გარემოში მძიმე სამუშაოებისთვის. სონოელექტროქიმიისთვის Hielscher-მა შეიმუშავა სპეციალური ულტრაბგერითი ზონდები, რომლებსაც შეუძლია კათოდის და/ან ანოდის ფუნქციის შესრულება, ასევე ელექტროქიმიური რეაქციებისთვის შესაფერისი ულტრაბგერითი სარეაქციო უჯრედები. ულტრაბგერითი ელექტროდები და უჯრედები ხელმისაწვდომია როგორც გალვანური / ვოლტური, ასევე ელექტროლიზური სისტემებისთვის.

ზუსტად კონტროლირებადი ამპლიტუდები ოპტიმალური შედეგებისთვის

Hielscher-ის ყველა ულტრაბგერითი პროცესორი ზუსტად კონტროლდება და ამიტომ საიმედო სამუშაო მოწყობილობაა R&D-სა და წარმოებაში. ამპლიტუდა პროცესის ერთ-ერთი გადამწყვეტი პარამეტრია, რომელიც გავლენას ახდენს სონოქიმიურად და სონომექანიკურად გამოწვეული რეაქციების ეფექტიანობასა და შედეგიანობაზე. Hielscher Ultrasonics-ის ყველა პროცესორი ამპლიტუდის ზუსტად დაყენების საშუალებას იძლევა. Hielscher-ის სამრეწველო ულტრაბგერით პროცესორებს შეუძლია ძალიან მაღალი ამპლიტუდების მიღწევა და რთული სონოელექტროქიმიური გამოყენებებისთვის საჭირო ულტრაბგერითი ინტენსივობის უზრუნველყოფა. 200µm-მდე ამპლიტუდებზე უწყვეტი მუშაობა მარტივად არის შესაძლებელი 24/7 რეჟიმში.
ზუსტი ამპლიტუდის პარამეტრები და ულტრაბგერითი პროცესის პარამეტრების მუდმივი მონიტორინგი სმარტ პროგრამული უზრუნველყოფის მეშვეობით გაძლევთ საშუალებას, ზუსტად იმოქმედოთ სონოელექტროქიმიურ რეაქციაზე. ყოველი ულტრაბგერითი დამუშავების დროს, ყველა ულტრაბგერითი პარამეტრი ავტომატურად იწერება ჩაშენებულ SD-ბარათზე, რათა თითოეული გაშვება შეფასდეს და კონტროლდეს. ოპტიმალური ულტრაბგერითი დამუშავება ყველაზე ეფექტური სონოელექტროქიმიური რეაქციებისთვის!
ყველა მოწყობილობა შექმნილია 24/7/365 რეჟიმში სრული დატვირთვით გამოსაყენებლად და მისი გამძლეობა და საიმედოობა მას თქვენს ელექტროქიმიურ პროცესში საიმედო სამუშაო საშუალებად აქცევს. ამგვარად, Hielscher-ის ულტრაბგერითი მოწყობილობა საიმედო სამუშაო ინსტრუმენტია, რომელიც თქვენი სონოელექტროქიმიური პროცესის მოთხოვნებს აკმაყოფილებს.

უმაღლესი ხარისხი – დაპროექტებული და დამზადებული გერმანიაში

როგორც ოჯახის საკუთრებაში არსებული და ოჯახის მიერ მართული კომპანია, Hielscher თავისი ულტრაბგერითი პროცესორებისთვის პრიორიტეტად მიიჩნევს ხარისხის უმაღლეს სტანდარტებს. ყველა ულტრაბგერითი აპარატი დაპროექტებულია, დამზადებულია და საფუძვლიანად გამოცდილია ჩვენს სათავო ოფისში, გერმანიაში, ბერლინის მახლობლად მდებარე ტელტოუში. Hielscher-ის ულტრაბგერითი მოწყობილობის გამძლეობა და საიმედოობა მას თქვენს წარმოებაში საიმედო სამუშაო საშუალებად აქცევს. სრული დატვირთვითა და რთულ გარემოში 24/7 რეჟიმში მუშაობა Hielscher-ის მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი ზონდებისა და რეაქტორების ბუნებრივი მახასიათებელია.

დაგვიკავშირდით ახლავე და მოგვითხარით თქვენი ელექტროქიმიური პროცესის მოთხოვნების შესახებ! ჩვენ გირჩევთ ყველაზე შესაფერის ულტრაბგერით ელექტროდებსა და რეაქტორის კონფიგურაციას!