전기 초음파 처리 – 초음파 전극

전기 초음파 처리는 전기의 효과와 초음파 처리의 효과를 결합한 것입니다. Hielscher Ultrasonics는 모든 소노트로드를 전극으로 사용할 수 있는 새롭고 정교한 방법을 개발했습니다. 이 방법은 초음파 전극과 액체 사이의 계면에 초음파 출력을 직접 전달합니다. 이 계면에서 초음파는 전기분해를 촉진하고, 물질 전달을 개선하며, 경계층이나 침착물을 파괴할 수 있습니다. Hielscher는 모든 규모의 배치 및 인라인 공정에서 전기 초음파 처리를 수행할 수 있는 생산용 장비를 공급합니다. 전기 초음파 처리는 가압 초음파 처리(압력) 및 가열 초음파 처리(온도)와 결합할 수 있습니다.

초음파 전극의 응용 분야

전극에 초음파를 적용하는 것은 전기분해, 아연 도금, 전기 정제, 수소 생성 및 전기응집, 입자 합성 또는 기타 전기화학 반응의 다양한 공정에 이점을 제공하는 새로운 기술입니다. Hielscher Ultrasonics는 실험실 규모 또는 파일럿 규모 전기분해의 연구 개발에 사용할 수 있는 초음파 전극을 즉시 공급할 수 있습니다. 전기분해 공정을 시험하고 최적화한 후에는 Hielscher Ultrasonics의 생산 규모 초음파 장비를 사용하여 공정 결과를 산업 생산 수준으로 확대할 수 있습니다. 아래에서 초음파 전극 사용에 관한 제안과 권장 사항을 확인할 수 있습니다.

초음파 전기분해

전기분해는 전류를 가함으로써 전자가 제거되거나 추가되어 원자와 이온이 상호 전환되는 현상입니다. 전기분해 생성물은 전해질과 물리적 상태가 다를 수 있습니다. 전기분해는 어느 한쪽 전극에 침전물이나 고체층과 같은 고체를 생성할 수 있습니다. 또는 전기분해는 수소, 염소, 산소와 같은 기체를 생성할 수 있습니다. 전극의 초음파 교반은 전극 표면에서 고체 침착물을 분리할 수 있습니다. 초음파 탈기는 미세 기포의 용존 가스로부터 더 큰 기포를 빠르게 생성합니다. 이에 따라 기체 생성물이 전해질에서 더 빠르게 분리됩니다.

전해조에서 음극 및/또는 양극으로 사용하는 초음파 UIP2000hdT(2000 와트, 20kHz)

초음파로 향상되는 전극 표면의 물질 전달

전기분해 공정 중에는 생성물이 전극 근처나 전극 표면에 축적됩니다. 초음파 교반은 경계층에서 물질 전달을 증가시키는 데 매우 효과적인 수단입니다. 이 효과는 새로운 전해질이 전극 표면과 접촉하도록 합니다. 캐비테이션에 의한 유동은 기체나 고체와 같은 전기분해 생성물을 전극 표면에서 멀리 운반합니다. 따라서 공정을 저해하는 절연층의 형성이 방지됩니다.

초음파가 분해 전위에 미치는 영향

양극, 음극 또는 두 전극 모두의 초음파 교반은 분해 전위 또는 분해 전압에 영향을 미칠 수 있습니다. 캐비테이션만으로도 분자를 분해하고 자유 라디칼이나 오존을 생성하는 것으로 알려져 있습니다. 초음파로 강화된 전기분해에서 캐비테이션과 전기분해의 결합은 전기분해가 일어나는 데 필요한 전해조의 양극과 음극 사이 최소 전압에 영향을 미칠 수 있습니다. 캐비테이션의 기계적 효과와 초음파 화학적 효과는 전기분해의 에너지 효율도 향상시킬 수 있습니다.

전해 정련 및 전해 채취에서의 초음파

전해 정련 공정에서는 구리와 같은 금속의 고체 침착물을 전해질 내 고체 입자의 현탁액으로 전환할 수 있습니다. 전기 추출이라고도 하는 전해 채취에서는 광석에서 금속을 전착시키는 과정을 고체 침전물이 생성되는 과정으로 전환할 수 있습니다. 일반적으로 전해 채취되는 금속에는 납, 구리, 금, 은, 아연, 알루미늄, 크로뮴, 코발트, 망간, 희토류 금속 및 알칼리 금속이 있습니다.
초음파 처리는 광석의 침출에도 효과적인 수단입니다.

액체의 초음파 전해 정제

폐수, 슬러지 등의 수용액과 같은 액체를 두 전극의 전기장에 통과시켜 정화하십시오! 전기분해는 수용액을 소독하거나 정화할 수 있습니다. NaCI 용액을 물과 함께 전극을 통과하거나 전극을 가로질러 흐르게 하면 Cl2 또는 CIO2가 생성되며, 이는 불순물을 산화하고 물이나 수용액을 소독할 수 있습니다. 물에 천연 염화물이 충분히 함유되어 있다면 추가로 첨가할 필요가 없습니다.
전극의 초음파 진동은 전극과 물 사이의 경계층을 가능한 한 얇게 만들 수 있습니다. 이를 통해 물질 전달을 여러 자릿수 규모로 향상시킬 수 있습니다. 초음파 진동과 캐비테이션은 분극으로 인한 미세 기포 형성을 크게 줄입니다. 전기분해에 초음파 전극을 사용하면 전해 정화 공정이 상당히 개선됩니다.

초음파 전기응집

전기응집은 유화된 오일, 총석유계탄화수소, 난분해성 유기물, 부유 고형물 및 중금속과 같은 오염물질을 제거하는 폐수 처리 방법입니다. 또한 수질 정화를 위해 방사성 이온을 제거할 수 있습니다. 전기응집에 초음파 처리를 추가하는 방식은 초음파 전기응집이라고도 하며, 화학적 산소 요구량 또는 탁도 제거 효율에 긍정적인 영향을 미칩니다. 전기응집을 결합한 처리 공정은 산업 폐수의 오염물질 제거 성능이 크게 향상되는 것으로 나타났습니다. 초음파 캐비테이션과 같이 자유 라디칼을 생성하는 단계를 전기응집과 통합하면 시너지 효과가 나타나고 전체 정화 공정이 개선됩니다. 이러한 초음파–전해 하이브리드 시스템을 사용하는 목적은 전체 처리 효율을 높이고 기존 처리 공정의 단점을 해소하는 것입니다. 하이브리드 초음파–전기응집 반응기는 물속의 대장균을 불활성화하는 것으로 입증되었습니다.

탱크에서 초음파 음극 및/또는 초음파 양극으로 사용되는 초음파 장치 UIP2000hdT(2000 와트, 20kHz)

초음파 전기분해를 통한 시약 또는 반응물의 현장 생성

불균일 반응이나 촉매 반응과 같은 많은 화학 공정은 초음파 교반과 초음파 캐비테이션의 이점을 얻습니다. 초음파 화학적 작용은 반응 속도를 높이거나 전환 수율을 향상시킬 수 있습니다.
초음파로 진동하는 전극은 화학 반응에 강력한 새 도구를 제공합니다. 이제 초음파 화학의 이점을 전기분해와 결합할 수 있습니다. 초음파 캐비테이션 장에서 직접 수소, 수산화 이온, 차아염소산염 및 기타 여러 이온이나 중성 물질을 생성하십시오. 전기분해 생성물은 화학 반응에서 시약이나 반응물로 작용할 수 있습니다.

초음파와 펄스 전기장의 결합

펄스 전기장(PEF)과 초음파(US)의 결합은 물리화학적 화합물과 생리활성 화합물의 추출 및 추출물의 화학 구조에 긍정적인 영향을 미칩니다. 아몬드 추출에서 복합 처리(PEF–US)는 총페놀류, 총플라보노이드, 축합 탄닌, 안토시아닌 함량 및 항산화 활성에서 가장 높은 수준을 나타냈습니다. 이 처리는 전력과 금속 킬레이트 활성을 감소시켰습니다.
초음파(US)와 펄스 전기장(PEF)은 물질 전달과 세포 투과성을 개선하여 발효 공정의 공정 효율과 생산 속도를 높이는 데 사용할 수 있습니다.
펄스 전기장과 초음파 처리의 결합은 공기 건조 동역학과 당근 같은 건조 채소의 품질에 영향을 미칩니다. 재수화 특성을 유지하면서 건조 시간을 20~40% 단축할 수 있습니다.

초음파 전기화학 / 초음파 전기화학

초음파로 강화된 전기분해를 도입하여 반응물을 생성하거나 화학 반응의 생성물을 소모함으로써 화학 반응의 최종 평형을 이동시키거나 화학 반응 경로를 변경할 수 있습니다.

초음파 전극의 권장 구성

프로브형 초음파 처리기의 혁신적인 설계는 표준 초음파 소노트로드를 초음파로 진동하는 전극으로 전환합니다. 이를 통해 전극에 초음파를 더욱 쉽게 적용하고 통합할 수 있으며, 생산 규모로도 쉽게 확장할 수 있습니다. 다른 설계에서는 진동하지 않는 두 전극 사이의 전해질만 교반했습니다. 차폐 현상과 초음파 전파 패턴으로 인해 전극을 직접 진동시키는 방식에 비해 결과가 떨어집니다. 양극이나 음극 각각에 초음파 진동을 가할 수 있습니다. 물론 전극의 전압과 극성은 언제든지 변경할 수 있습니다. Hielscher Ultrasonics 전극은 기존 장치에 쉽게 추가 장착할 수 있습니다.

밀폐형 초음파 전해 셀 및 전기화학 반응기

초음파 소노트로드(전극)와 반응기 용기 사이에 내압 밀봉을 적용할 수 있습니다. 따라서 주위 압력과 다른 압력에서 전해 셀을 작동할 수 있습니다. 초음파와 압력을 결합하는 방식을 가압 초음파 처리라고 합니다. 이는 전기분해로 기체가 발생하거나, 높은 온도에서 작업하거나, 휘발성 액체 성분을 취급할 때 유용할 수 있습니다. 단단히 밀폐된 전기화학 반응기는 주위 압력보다 높거나 낮은 압력에서 작동할 수 있습니다. 초음파 전극과 반응기 사이의 밀봉부는 전기 전도성 또는 절연성을 갖도록 제작할 수 있습니다. 후자의 경우 반응기 벽을 두 번째 전극으로 사용할 수 있습니다. 물론 반응기에 유입구와 유출구를 설치하여 연속 공정용 플로우 셀 반응기로 사용할 수도 있습니다. Hielscher Ultrasonics는 다양한 표준화 반응기와 재킷형 플로우 셀을 제공합니다. 또는 여러 어댑터 중에서 선택하여 Hielscher 소노트로드를 전기화학 반응기에 장착할 수 있습니다.

관형 반응기 내 동심 배치

초음파로 진동하는 전극이 진동하지 않는 두 번째 전극이나 반응기 벽 가까이에 있으면 초음파가 액체를 통해 전파되어 다른 표면에도 작용합니다. 관이나 반응기 내부에 동심으로 배치된 초음파 진동 전극은 내부 벽에 오염물이나 고형물이 축적되지 않도록 유지할 수 있습니다.

온도

표준 Hielscher 소노트로드를 전극으로 사용할 때 전해질 온도는 섭씨 0도에서 80도 사이일 수 있습니다. 섭씨 -273도에서 섭씨 500도 범위의 다른 전해질 온도에 사용할 소노트로드도 요청 시 제공됩니다. 초음파와 온도를 결합하는 방식을 열 초음파 처리라고 합니다.

점도

전해질의 점도가 물질 전달을 저해하는 경우, 전기분해 중 초음파 교반 혼합은 전극으로 향하거나 전극에서 벗어나는 물질의 전달을 개선하므로 유익할 수 있습니다.

맥동 전류를 이용한 초음파 전기분해

초음파로 진동하는 전극에 맥동 전류를 가하면 직류(DC)를 가할 때와 다른 생성물이 생성됩니다. 예를 들어, 묽은 황산과 같은 산성 수용액을 전기분해할 때 맥동 전류는 양극에서 생성되는 산소 대비 오존의 비율을 높일 수 있습니다. 에탄올을 펄스 전류로 전기분해하면 주로 산을 생성하는 대신 알데하이드를 생성합니다.

전기 초음파 처리 장비

Hielscher Ultrasonics는 산업용 변환기를 위한 특수 초음파 전기화학 업그레이드를 개발했습니다. 업그레이드된 변환기는 거의 모든 유형의 Hielscher 소노트로드와 함께 작동합니다.

초음파 전극(소노트로드)

소노트로드는 초음파 발생기로부터 전기적으로 절연되어 있습니다. 따라서 초음파 소노트로드에 전압을 인가하여 소노트로드가 전극으로 작동하게 할 수 있습니다. 소노트로드와 접지 접점 사이의 표준 전기 절연 간격은 2.5 mm입니다. 따라서 소노트로드에 최대 2500볼트를 인가할 수 있습니다. 표준 소노트로드는 내부가 꽉 찬 티타늄 재질입니다. 따라서 전극 전류에는 거의 제한이 없습니다. 티타늄은 다양한 알칼리성 또는 산성 전해질에 대해 우수한 내식성을 나타냅니다. 소노트로드의 대체 재료로는 알루미늄(Al), 강철(Fe), 스테인리스강, 니켈–크롬–몰리브데넘 또는 니오븀 등을 사용할 수 있습니다. Hielscher는 알루미늄이나 강철 등으로 제작한 비용 효율적인 희생 양극 소노트로드를 제공합니다.

초음파 발생기, 전원 공급 장치

초음파 발생기는 개조할 필요가 없으며 접지된 표준 전원 콘센트를 사용합니다. 물론 변환기 혼과 변환기 및 발생기의 모든 외부 표면은 전원 콘센트의 접지에 연결되어 있습니다. 소노트로드와 지지 부재만이 전극 전압에 연결되는 유일한 부품입니다. 이로써 장치 구성을 쉽게 설계할 수 있습니다. 소노트로드에 직류(DC), 맥동 직류 또는 교류(AC)를 연결할 수 있습니다. 초음파 전극은 각각 양극 또는 음극으로 작동할 수 있습니다.

전기–초음파 처리 공정용 생산 장비

UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT 또는 UIP4000hdT와 같은 모든 Hielscher 초음파 장치를 사용하여 모든 표준 소노트로드 또는 cascatrode에 최대 4000와트의 초음파 출력을 전달할 수 있습니다. 소노트로드 표면의 초음파 표면 강도는 제곱센티미터당 1와트에서 100와트 사이일 수 있습니다. 진폭이 1마이크로미터에서 150마이크로미터(피크 대 피크)인 다양한 형상의 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 20kHz의 초음파 주파수는 전해질 내에서 캐비테이션과 음향 유동을 발생시키는 데 매우 효과적입니다. Hielscher 초음파 장치는 하루 24시간, 일주일에 일곱 날 동안 작동할 수 있습니다. 최대 출력으로 연속 작동하거나, 예를 들어 전극을 주기적으로 세척하기 위해 펄스 방식으로 작동할 수 있습니다. Hielscher Ultrasonics는 단일 전극당 최대 16킬로와트의 초음파 출력(기계적 교반)을 제공하는 초음파 전극을 공급할 수 있습니다. 전극에 연결할 수 있는 전력에는 거의 제한이 없습니다.

한 가지 더: 초음파–정전 분무

Hielscher Ultrasonics는 액체의 분무, 안개화, 미립화 또는 에어로졸화 장비를 제작합니다. 초음파 분무 소노트로드는 액체 안개나 에어로졸에 양전하를 부여할 수 있습니다. 이는 예를 들어 코팅 공정에서 초음파 분무와 정전 분무 기술을 결합하는 방식입니다.

문헌 / 참고 자료

• Hielscher, Th. (2026): Electrodes and Inline Reactors: How Sono-Electrochemistry Improves Efficiency. Poster Presentation at GDCh Electrochemistry 22.09.2026 – 25.09.2026, Bayreuth/Germany
• Bruno G. Pollet; Faranak Foroughi; Alaa Y. Faid; David R. Emberson; Md.H. Islam (2020): Does power ultrasound (26 kHz) affect the hydrogen evolution reaction (HER) on Pt polycrystalline electrode in a mild acidic electrolyte? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 69, December 2020.
• Md H. Islam; Odne S. Burheim; Bruno G.Pollet (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 51, March 2019. 533-555.
• Jayaraman Theerthagiri; Jagannathan Madhavan; Seung Jun Lee; Myong Yong Choi; Muthupandian Ashokkumar; Bruno G. Pollet (2020): Sonoelectrochemistry for energy and environmental applications. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 63, 2020.
• Bruno G. Pollet (2019): Does power ultrasound affect heterogeneous electron transfer kinetics? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 6-12.
• Md Hujjatul Islam; Michael T.Y. Paul; Odne S. Burheim; Bruno G. Pollet (2019): Recent developments in the sonoelectrochemical synthesis of nanomaterials. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 59, 2019.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
• M.D. Esclapez, V. Sáez, D. Milán-Yáñez, I. Tudela, O. Louisnard, J. González-García (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 6, 2010. 1010-1020.
• L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.