초음파 전기화학과 그 장점

여기에서는 초음파 전기화학(sonoelectrochemistry)에 대해 알아야 할 모든 정보를 확인할 수 있습니다. 작동 원리, 응용 분야, 장점 및 초음파 전기화학 장비까지 – 초음파 전기화학에 관한 모든 관련 정보를 한 페이지에 담았습니다.

전기화학에 초음파를 적용하는 이유는 무엇일까요?

저주파 고강도 초음파와 전기화학 시스템을 결합하면 전기화학 반응의 효율과 전환율을 향상시키는 다양한 이점을 얻을 수 있습니다.

초음파의 작동 원리

고성능 초음파 처리를 위해 초음파 발생기로 고강도 저주파 초음파를 생성하고 초음파 프로브(소노트로드)를 통해 액체에 전달합니다. 고출력 초음파는 16–30kHz 범위의 초음파를 말합니다. 초음파 프로브는 예를 들어 20kHz에서 팽창과 수축을 반복하며, 이에 따라 초당 20,000회의 진동을 매질에 전달합니다. 초음파가 액체를 통과할 때 고압(압축) / 저압(희박화 또는 팽창) 주기가 번갈아 나타나면서 미세한 진공 기포 또는 공동이 생성되고, 이는 여러 압력 주기에 걸쳐 성장합니다. 액체와 기포의 압축 단계에서는 압력이 양압인 반면, 희박화 단계에서는 진공(음압)이 형성됩니다. 압축과 팽창이 반복되는 동안 액체 내 공동은 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달할 때까지 성장합니다. 이 시점에서 공동은 격렬하게 내파합니다. 이러한 공동의 내파는 다양한 고에너지 효과를 일으키며, 이를 음향 / 초음파 캐비테이션 현상이라고 합니다. 음향 캐비테이션은 액체, 고체/액체 시스템 및 기체/액체 시스템에 영향을 미치는 다양한 고에너지 효과를 특징으로 합니다. 에너지 밀도가 높은 영역 또는 캐비테이션 영역은 이른바 핫스폿 영역으로 알려져 있으며, 초음파 프로브의 바로 근처에서 에너지 밀도가 가장 높고 소노트로드로부터 거리가 멀어질수록 에너지 밀도가 감소합니다. 초음파 캐비테이션의 주요 특징으로는 국소적으로 발생하는 매우 높은 온도와 압력 및 각각의 차이, 난류, 액체 유동이 있습니다. 초음파 핫스폿에서 초음파 공동이 내파하는 동안 최대 5000켈빈의 온도, 최대 200기압의 압력 및 최대 1000km/h의 액체 제트가 측정될 수 있습니다. 이러한 탁월한 고에너지 조건은 다양한 방식으로 전기화학 시스템을 강화하는 초음파 기계적 효과와 초음파 화학적 효과에 기여합니다.

초음파가 전기화학 시스템에 미치는 효과

전기화학 반응에 초음파 처리를 적용하면 전해질 용액뿐 아니라 전극, 즉 양극과 음극에도 다양한 효과가 나타나는 것으로 알려져 있습니다. 초음파 캐비테이션과 음향 유동은 반응 유체 내에서 상당한 미세 운동, 충돌하는 액체 제트 및 교반을 발생시킵니다. 이로 인해 액체/고체 혼합물의 유체역학적 특성과 움직임이 개선됩니다. 초음파 캐비테이션은 전극에서 확산층의 유효 두께를 줄입니다. 확산층이 얇아지면 초음파 처리가 농도 차이를 최소화하므로, 전극 부근의 농도와 벌크 용액의 농도 값이 서로 가까워지도록 초음파가 촉진합니다. 반응 중 초음파 교반이 농도 구배에 미치는 영향으로 전극에 새로운 용액이 지속적으로 공급되고 반응한 물질이 제거됩니다. 이는 초음파 처리가 전반적인 반응 동역학을 개선하여 반응 속도를 높이고 반응 수율을 증가시켰음을 의미합니다.
시스템에 초음파 에너지를 도입하고 초음파화학적으로 자유 라디칼을 형성함으로써, 그렇지 않으면 전기화학적으로 비활성 상태였을 반응을 개시할 수 있습니다. 음향 진동과 유동의 또 다른 중요한 효과는 전극 표면의 세정 효과입니다. 전극의 부동태 피막과 오염물은 전기화학 반응의 효율과 반응 속도를 제한합니다. 초음파 처리는 전극을 지속적으로 깨끗하게 유지하고 반응에 대해 완전한 활성을 유지하도록 합니다. 초음파 처리는 탈기 효과로 잘 알려져 있으며, 이러한 효과는 전기화학 반응에도 유익합니다. 액체에서 불필요한 기체를 제거하면 반응이 더욱 효과적으로 진행될 수 있습니다.

초음파 전기화학의 응용 분야

초음파 전기화학은 다양한 공정과 여러 산업 분야에 적용할 수 있습니다. 초음파 전기화학의 매우 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다:

• 나노입자 합성(전기합성)
• 수소 합성
• 전기응집
• 폐수 처리
• 에멀션 해체
• 전기도금 / 전착
• 저항 가열

나노입자의 초음파 전기화학적 합성

초음파 처리는 전기화학 시스템에서 다양한 나노입자를 합성하는 데 성공적으로 적용되었습니다. 자철석, 카드뮴–셀레늄(CdSe) 나노튜브, 백금 나노입자(NPs), 금 나노입자, 금속 마그네슘, 비스무텐, 나노 은, 초미세 구리, 텅스텐–코발트(W–Co) 합금 나노입자, 산화사마륨/환원 그래핀 산화물 나노복합체, 폴리(아크릴산)으로 캡핑된 1nm 미만의 구리 나노입자 및 그 밖의 많은 나노 크기 분말이 초음파 전기화학을 이용하여 성공적으로 생산되었습니다.
초음파 전기화학적 나노입자 합성의 장점은 다음과 같습니다:

• 환원제 및 계면활성제 사용 방지
• 물을 용매로 사용
• 매개변수(초음파 출력, 전류 밀도, 전착 전위 및 초음파 펄스 시간과 전기화학적 펄스 시간)를 변화시켜 나노입자 크기 조절

Ashasssi-Sorkhabi와 Bagheri(2014)는 초음파 전기화학적으로 폴리피롤 막을 합성하고 그 결과를 전기화학적으로 합성한 폴리피롤 막과 비교했습니다. 그 결과, 0.1 M 옥살산/0.1 M 피롤 용액에서 전류 밀도 4 mA cm–2로 정전류 초음파 전착을 수행했을 때 강철 표면에 접착력이 강하고 매끄러운 폴리피롤(PPy) 막이 형성되었습니다. 연구진은 초음파 전기화학적 중합을 통해 표면이 매끄럽고 저항성이 높으며 질긴 PPy 막을 얻었습니다. 초음파 전기화학으로 제조한 PPy 코팅은 St-12 강철에 상당한 부식 방지 효과를 제공하는 것으로 나타났습니다. 합성된 코팅은 균일하고 높은 내식성을 보였습니다. 이러한 모든 결과는 초음파가 반응물의 물질 전달을 향상시키고, 음향 캐비테이션과 그로 인해 발생하는 높은 온도 및 압력을 통해 높은 화학 반응 속도를 유도했기 때문일 수 있습니다. St-12 강철/두 PPy 코팅/부식성 매질 계면의 임피던스 데이터의 유효성은 KK 변환을 사용하여 검증했으며, 낮은 평균 오차가 관찰되었습니다.

Hass와 Gedanken(2008)은 금속 마그네슘 나노입자의 초음파 전기화학적 합성에 성공했다고 보고했습니다. 테트라하이드로푸란(THF) 또는 디부틸디글라임 용액에서 Gringard 시약의 초음파 전기화학 공정 효율은 각각 41.35%와 33.08%였습니다. Gringard 용액에 AlCl3를 첨가하자 효율이 크게 증가하여 THF에서는 82.70%, 디부틸디글라임에서는 51.69%로 높아졌습니다.

초음파 전기화학적 수소 생산

초음파로 촉진한 전기분해는 물 또는 알칼리성 용액에서의 수소 수율을 크게 높입니다. 초음파로 가속한 전해 수소 합성에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

초음파 보조 전기응집

전기응집 시스템에 저주파 초음파를 적용하는 것을 초음파 전기응집이라고 합니다. 연구에 따르면 초음파 처리는 전기응집에 긍정적인 영향을 미쳐, 예를 들어 폐수에서 수산화철의 제거 효율을 높입니다. 초음파가 전기응집에 미치는 긍정적인 영향은 전극 부동태화의 감소로 설명됩니다. 저주파 고강도 초음파는 침착된 고체층을 파괴하고 효율적으로 제거하여 전극이 지속적으로 완전한 활성을 유지하도록 합니다. 또한 초음파는 전극 반응 영역에 존재하는 두 종류의 이온, 즉 양이온과 음이온을 모두 활성화합니다. 초음파 교반은 용액에 강한 미세 운동을 일으켜 원료와 생성물을 전극으로 공급하고 전극에서 운반해 냅니다.
성공적인 초음파 전기응집 공정의 예로는 제약 폐수의 Cr(VI)을 Cr(III)으로 환원하는 공정, 10 min. 이내에 99.5%의 인 제거 효율을 달성한 정밀화학 산업 배출수의 총인 제거 공정, 펄프 및 제지 산업 배출수의 색도와 COD 제거 공정 등이 있습니다. 보고된 색도, COD, Cr(VI), Cu(II) 및 P의 제거 효율은 각각 100%, 95%, 100%, 97.3%, 99.84%였습니다. (참조: Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

오염물질의 초음파 전기화학적 분해

초음파로 촉진되는 전기화학적 산화 및/또는 환원 반응은 화학 오염물질을 분해하는 강력한 방법으로 적용됩니다. 초음파 기계적 및 초음파 화학적 메커니즘은 오염물질의 전기화학적 분해를 촉진합니다. 초음파로 생성된 캐비테이션은 강력한 교반, 미세 혼합, 물질 전달 및 전극의 부동태 피막 제거를 유도합니다. 이러한 캐비테이션 효과는 주로 전극과 용액 사이의 고체–액체 물질 전달을 향상시킵니다. 초음파 화학적 효과는 분자에 직접 작용합니다. 분자의 균일 결합 분해는 반응성이 매우 높은 산화제를 생성합니다. 수성 매질에서 산소가 존재하면 HO•, HO2• 및 O•와 같은 라디칼이 생성됩니다. •OH 라디칼은 유기물의 효율적인 분해에 중요한 것으로 알려져 있습니다. 전반적으로 초음파 전기화학적 분해는 높은 효율을 나타내며, 대량의 폐수 흐름과 기타 오염된 액체를 처리하는 데 적합합니다.
예를 들어, Lllanos 등(2016)은 초음파 처리로 전기화학 시스템을 강화했을 때 물 소독에서 상당한 상승효과가 나타났음을 확인했습니다(초음파 전기화학적 소독). 이러한 소독 속도의 증가는 E. coli 세포 응집체의 억제 및 소독 활성종 생성의 증가와 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다. Esclapez 등(2010)은 트리클로로아세트산(TCAA) 분해 공정의 규모 확대 과정에서 특별히 설계된 초음파 전기화학 반응기(다만 최적화되지 않은 상태)를 사용했으며, UIP1000hd로 생성한 초음파장이 존재할 때 더 낮은 초음파 강도와 체적 유량에서도 더 나은 결과(전환율 97%, 분해 효율 26%, 선택도 0.92 및 전류 효율 8%)를 얻었음을 보여주었습니다. 예비 파일럿 규모의 초음파 전기화학 반응기가 아직 최적화되지 않았다는 점을 고려하면, 이러한 결과가 더욱 개선될 가능성이 매우 높습니다.

초음파 전압전류법 및 전착

전착은 전류 밀도 15 mA/cm2의 정전류 조건에서 수행했습니다. 전착 전에 용액을 5–60분 동안 초음파 처리했습니다. Hielscher UP200S 프로브형 초음파 처리기를 사이클 시간 0.5로 사용했습니다. 초음파 프로브를 용액에 직접 담가 초음파 처리를 수행했습니다. 전착 전 초음파가 용액에 미치는 영향을 평가하기 위해 순환 전압전류법(CV)을 사용하여 용액의 거동을 파악하고 전착에 이상적인 조건을 예측할 수 있도록 했습니다. 전착 전에 용액을 초음파 처리하면 전착이 덜 음의 전위 값에서 시작되는 것으로 관찰됩니다. 이는 용액 내 화학종이 초음파 처리하지 않은 용액에서보다 더 활발하게 거동하므로, 용액에 동일한 전류가 흐를 때 더 낮은 전위가 필요함을 의미합니다. (참조: Yurdal & Karahan 2017)
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고성능 전기화학 프로브 및 SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics는 고성능 초음파 시스템 분야에서 오랜 경험을 갖춘 파트너입니다. 당사는 까다로운 환경의 고부하 응용 분야에서 전 세계적으로 사용되는 최첨단 초음파 프로브와 반응기를 제조하고 공급합니다. Hielscher는 초음파 전기화학을 위해 음극 및/또는 양극으로 작용할 수 있는 특수 초음파 프로브와 전기화학 반응에 적합한 초음파 반응기 셀을 개발했습니다. 초음파 전극과 셀은 갈바니 / 볼타 전지 시스템뿐 아니라 전해 시스템용으로도 제공됩니다.

최적의 결과를 위해 정밀하게 제어할 수 있는 진폭

모든 Hielscher 초음파 프로세서는 정밀하게 제어할 수 있어 연구개발과 생산에서 신뢰할 수 있는 주력 장비로 활용됩니다. 진폭은 초음파 화학적 및 초음파 기계적으로 유도되는 반응의 효율과 효과에 영향을 미치는 핵심 공정 매개변수 중 하나입니다. 모든 Hielscher Ultrasonics 프로세서는 진폭을 정밀하게 설정할 수 있습니다. Hielscher의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 구현하고 까다로운 초음파 전기화학 응용 분야에 필요한 초음파 강도를 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다.
정밀한 진폭 설정과 스마트 소프트웨어를 통한 초음파 공정 매개변수의 상시 모니터링으로 초음파 전기화학 반응에 정밀하게 영향을 줄 수 있습니다. 초음파 처리를 수행할 때마다 모든 초음파 매개변수가 내장 SD 카드에 자동으로 기록되므로 각 처리 과정을 평가하고 제어할 수 있습니다. 최고의 효율을 내는 초음파 전기화학 반응을 위한 최적의 초음파 처리!
모든 장비는 최대 부하에서 24/7/365 사용할 수 있도록 제작되었으며, 견고성과 신뢰성을 바탕으로 전기화학 공정의 주력 장비 역할을 합니다. 이러한 특성 덕분에 Hielscher의 초음파 장비는 초음파 전기화학 공정 요구사항을 충족하는 신뢰할 수 있는 작업 도구가 됩니다.

최고의 품질 – 독일에서 설계 및 제조

가족이 소유하고 운영하는 기업인 Hielscher는 초음파 프로세서에 최고의 품질 기준을 적용하는 것을 최우선으로 합니다. 모든 초음파 장비는 독일 베를린 인근 텔토에 있는 본사에서 설계, 제조되고 철저한 시험을 거칩니다. Hielscher 초음파 장비의 견고성과 신뢰성은 이 장비가 생산 현장에서 주력 장비로 활약하도록 합니다. 최대 부하와 까다로운 환경에서의 24/7 운전은 Hielscher 고성능 초음파 프로브와 반응기의 기본적인 특성입니다.

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