Sono-Electrochemistry and its Advantages

여기에서 초음파 전기 화학 (sonoelectrochemistry)에 대해 알아야 할 모든 것을 찾을 수 있습니다 : 작동 원리, 응용 프로그램, 장점 및 초음파 전기 화학 장비 – 한 페이지에 sonoelectrochemistry에 대한 모든 관련 정보.

전기화학에 초음파를 적용하는 이유는 무엇입니까?

저주파, 고강도 초음파와 전기화학 시스템의 결합은 전기화학 반응의 효율성과 전환율을 향상시키는 다양한 이점을 제공합니다.

초음파의 작동 원리

고성능 초음파 처리를 위해 초음파 발생기에 의해 고강도, 저주파 초음파가 생성되어 초음파 프로브 (sonotrode)를 통해 액체로 전송됩니다. 고출력 초음파는 16-30kHz 범위의 초음파로 간주됩니다. 초음파 프로브는 예를 들어 20kHz에서 팽창 및 수축하여 초당 각각 20,000 번의 진동을 매체로 전달합니다. 초음파가 액체를 통과 할 때 고압 (압축) / 저압 (희박 또는 팽창) 사이클이 번갈아 가며 여러 압력 사이클에 걸쳐 성장하는 미세한 진공 기포 또는 캐비티를 생성합니다. 액체와 기포의 압축 단계에서 압력은 양수이고 희박 단계는 진공(음압)을 생성합니다. 압축-팽창 주기 동안 액체의 캐비티는 더 많은 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달할 때까지 성장합니다. 이 시점에서 그들은 격렬하게 붕괴합니다. 이러한 캐비티의 내파는 음향 / 초음파 캐비테이션 현상으로 알려진 다양한 고에너지 효과를 초래합니다. 음향 캐비테이션은 액체, 고체/액체 시스템 및 기체/액체 시스템에 영향을 미치는 다양한 고에너지 효과를 특징으로 합니다. 에너지 밀도가 높은 구역 또는 캐비테이션 구역은 소위 핫스팟 구역으로 알려져 있으며, 이는 초음파 프로브의 가까운 부근에서 가장 에너지 밀도가 높으며 sonotrode로부터의 거리가 증가함에 따라 감소합니다. 초음파 캐비테이션의 주요 특성에는 국부적으로 발생하는 매우 높은 온도와 압력, 각각의 차동, 난류 및 액체 흐름이 포함됩니다. 초음파 핫스팟에서 초음파 캐비티가 내파되는 동안 최대 5000 켈빈의 온도, 최대 200 기압의 압력 및 최대 1000km / h의 액체 제트를 측정 할 수 있습니다. 이러한 뛰어난 에너지 집약적 인 조건은 다양한 방식으로 전기 화학 시스템을 강화하는 초음파 역학 및 초음파 화학 효과에 기여합니다.

초음파가 전기 화학 시스템에 미치는 영향

전기 화학 반응에 초음파를 적용하는 것은 전극, 즉 양극 및 음극뿐만 아니라 전해 용액에 대한 다양한 효과로 알려져 있습니다. 초음파 캐비테이션 및 음향 스트리밍은 상당한 미세 움직임을 생성하여 액체 제트와 교반을 반응 유체에 충돌시킵니다. 그 결과 유체 역학과 액체/고체 혼합물의 움직임이 개선됩니다. 초음파 캐비테이션은 전극에서 확산층의 유효 두께를 줄입니다. 감소 된 확산 층은 초음파 처리가 농도 차이를 최소화한다는 것을 의미하며, 이는 전극 부근의 농도와 벌크 용액의 농도 값의 수렴이 초음파로 촉진된다는 것을 의미합니다. 반응 중 농도 구배에 대한 초음파 교반의 영향은 전극에 새로운 용액을 영구적으로 공급하고 반응 물질을 운반하는 것을 보장합니다. 이는 초음파 처리가 전체 역학을 개선하여 반응 속도를 가속화하고 반응 수율을 증가시킨다는 것을 의미합니다.
시스템에 초음파 에너지를 도입하고 자유 라디칼의 초음파 화학적 형성을 통해 전기 불활성 상태였던 전기 화학 반응을 시작할 수 있습니다. 
음향 진동 및 스트리밍의 또 다른 중요한 효과는 전극 표면의 세척 효과입니다. 부동태화 층과 전극의 오염은 전기화학 반응의 효율성과 반응 속도를 제한합니다. 초음파는 전극을 영구적으로 깨끗하고 반응을 위해 완전히 활성 상태로 유지합니다. 초음파는 전기 화학 반응에도 유익한 탈기 효과로 잘 알려져 있습니다. 액체에서 원치 않는 가스를 제거하면 반응이 더 효과적일 수 있습니다.

Sonoelectrochemistry의 응용

Sonoelectrochemistry는 다양한 공정과 다양한 산업 분야에 적용될 수 있습니다. sonoelectrochemistry의 매우 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 나노 입자 합성 (전기 합성)
• 수소 합성
• 전기응고
• 폐수 처리
• 브레이킹 에멀젼
• 전기도금을 하는 것 / 전착

Sono-Electrochemical Synthesis of Nanoparticles

초음파는 전기 화학 시스템에서 다양한 나노 입자를 합성하는 데 성공적으로 적용되었습니다. 마그네타이트, 카드뮴-셀레늄 (CdSe) 나노 튜브, 백금 나노 입자 (NP), 금 NP, 금속 마그네슘, 비스무텐, 나노 실버, 초 미세 구리, 텅스텐 코발트 (W-Co) 합금 나노 입자, 사마리아 / 환원 된 그래 핀 산화물 나노 복합체, sub-1nm 폴리 (아크릴산) 캡 구리 나노 입자 및 기타 많은 나노 크기의 분말이 초음파 전기 화학을 사용하여 성공적으로 생산되었습니다.
초음파 전기 화학 나노 입자 합성의 장점은 다음과 같습니다.

• 환원제 및 계면활성제의 회피
• 물을 용매로 사용
• 다양한 매개 변수에 의한 나노 입자 크기 조정 (초음파 전력, 전류 밀도, 증착 전위 및 초음파 대 전기 화학적 펄스 시간)

Ashasssi-Sorkhabi 및 Bagheri(2014)는 폴리피롤 필름을 초음전기화학적으로 합성하고 그 결과를 전기적으로 합성된 폴리피롤 필름과 비교했습니다. 결과는 galvanostatic sonoelectrodeposition가 0.1 M oxalic acid / 0.1 M pyrrole 용액에서 4 mA cm-2의 전류 밀도를 가진 강철에 강하게 접착되고 부드러운 polypyrrole (PPy) 필름을 생성했음을 보여줍니다. 초음파 전기 화학 중합을 사용하여 표면이 매끄러운 고저항 및 견고한 PPy 필름을 얻었습니다. sonoelectrochemistry에 의해 제조 된 PPy 코팅은 St-12 강철에 상당한 부식 방지 기능을 제공하는 것으로 나타났습니다. 합성된 코팅은 균일하고 높은 내식성을 나타냈습니다. 이러한 모든 결과는 초음파가 반응물의 질량 전달을 향상시키고 음향 캐비테이션을 통해 높은 화학 반응 속도와 그에 따른 높은 온도 및 압력을 유발했다는 사실에 기인할 수 있습니다. KK 변환을 사용하여 St-12 강철/2개의 PPy 코팅/부식성 매체 인터페이스에 대한 임피던스 데이터의 유효성을 확인했으며 낮은 평균 오류가 관찰되었습니다.

Hass와 Gedanken (2008)은 금속 마그네슘 나노 입자의 성공적인 소노 전기 화학 합성을보고했습니다. 테트라히드로푸란(THF) 또는 디부틸디글라임 용액에서 Gringard 시약의 초음파 전기화학적 공정의 효율은 각각 41.35% 및 33.08%였습니다. Gringard 용액에 AlCl3를 첨가하면 효율이 크게 증가하여 THF 또는 디부틸디글림에서 각각 82.70% 및 51.69%로 높아졌습니다.

Sono-Electrochemical 수소 생산

초음파로 촉진된 전기분해는 물 또는 알칼리성 용액에서 수소 수율을 크게 증가시킵니다. 초음파 가속 전해 수소 합성에 대한 자세한 내용을 보려면 여기를 클릭하십시오!

초음파 보조 전기 응고

저주파 초음파를 전기 응고 시스템에 적용하는 것은 초음파 전기 응고로 알려져 있습니다. 연구에 따르면 초음파 처리는 전기 응고에 긍정적 인 영향을 미쳐 예를 들어 폐수에서 수산화철의 제거 효율을 높입니다. 전기 응고에 대한 초음파의 긍정적 인 영향은 전극 패시베이션의 감소로 설명됩니다. 저주파, 고강도 초음파는 증착된 고체층을 파괴하고 효율적으로 제거하여 전극을 지속적으로 완전히 활성 상태로 유지합니다. 또한, 초음파는 전극 반응 영역에 존재하는 두 가지 이온 유형, 즉 양이온과 음이온을 모두 활성화합니다. 초음파 교반은 용액의 높은 미세 움직임을 초래하여 전극으로 원료와 제품을 공급하고 운반합니다.
성공적인 초음파 전기 응고 공정의 예로는 제약 폐수에서 Cr (VI)을 Cr (III)로 환원, 인 제거 효율이 10 분 이내에 99.5 % 인 제거 효율로 정밀 화학 산업의 폐수에서 총 인을 제거하는 것, 펄프 및 제지 산업의 폐수에서 색상 및 COD 제거 등이 있습니다. 색상, COD, Cr(VI), Cu(II) 및 P에 대해 보고된 제거 효율은 각각 100%, 95%, 100%, 97.3% 및 99.84%였습니다. (참조: 알-코다 & 알 샤나그, 2018)

오염 물질의 Sono-Electrochemical 분해

초음파로 촉진된 전기화학적 산화 및/또는 환원 반응은 화학 오염 물질을 분해하는 강력한 방법으로 적용됩니다. 초음파 역학 및 초음파 화학 메커니즘은 오염 물질의 전기 화학적 분해를 촉진합니다. 초음파로 생성된 캐비테이션은 강렬한 교반, 미세 혼합, 물질 전달 및 전극에서 부동태화 층의 제거를 초래합니다. 이러한 캐비테이션 효과는 주로 전극과 용액 사이의 고체-액체 질량 전달을 향상시킵니다. Sonochemical 효과는 분자에 직접 영향을 미칩니다. 분자의 균질 절단은 반응성이 높은 산화제를 생성합니다. 수성 매체와 산소가 있는 상태에서 HO•, HO2• 및 O•와 같은 라디칼이 생성됩니다. •OH 라디칼은 유기 물질의 효율적인 분해에 중요한 것으로 알려져 있습니다. 전반적으로, 초음파 전기 화학적 분해는 높은 효율을 보이며 많은 양의 폐수 흐름 및 기타 오염 된 액체의 처리에 적합합니다.
예를 들어, Lllanos et al. (2016)은 전기 화학 시스템이 초음파 처리 (sono-electrochemical disinfection)에 의해 강화되었을 때 물 소독에 대해 상당한 시너지 효과를 얻었다는 것을 발견했습니다. 이러한 소독 속도의 증가는 대장균 세포 응집체의 억제 및 소독제 종의 생산 향상과 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 
Esclapez et al. (2010)은 트리클로로 아세트산 (TCAA) 분해의 스케일 업 중에 특별히 설계된 초음파 전기 화학 반응기 (최적화되지 않음)가 사용되었으며, UIP1000hd로 생성 된 초음파 필드의 존재는 더 나은 결과 (분수 변환 97 %, 분해 효율 26 %, 선택성 0.92 및 전류 효율 8 %)를 낮은 초음파 강도 및 체적 유량에서 제공했습니다. 파일럿 전 초음파 전기 화학 반응기가 아직 최적화되지 않았다는 사실을 고려할 때 이러한 결과는 더욱 개선 될 가능성이 매우 높습니다.

초음파 전압전류법 및 전착

전착은 15mA/cm2의 전류 밀도에서 갈바노정식으로 수행되었습니다. 용액은 5-60 분 동안 전착 전에 초음파를 받았다. A 힐셔 UP200S 프로브 형 초음파기 0.5의 주기 시간에 사용되었습니다. 초음파는 초음파 프로브를 용액에 직접 담그는 방식으로 이루어졌습니다. 전착 전에 용액에 대한 초음파 영향을 평가하기 위해 용액 거동을 밝히고 전착을 위한 이상적인 조건을 예측할 수 있도록 순환 전압전류법(CV)을 사용했습니다. 용액이 전착 전에 초음파를 받으면 증착이 더 적은 음의 전위 값에서 시작되는 것으로 관찰됩니다. 이것은 용액의 동일한 전류에서 용액의 종이 초음파되지 않은 종보다 더 활발하게 행동하기 때문에 더 적은 전위가 필요하다는 것을 의미합니다. (참조: 유르달 & 카라한 2017)

고성능 전기화학 프로브 및 SonoElectroReactors

Hielscher 초음파는 고성능 초음파 시스템을위한 오랜 경험이 풍부한 파트너입니다. 우리는 최첨단 초음파 프로브와 반응기를 제조 및 유통하며, 이는 까다로운 환경의 중장비 응용 분야에 전 세계적으로 사용됩니다. 초음파 전기 화학을 위해 Hielscher는 전기 화학 반응에 적합한 초음파 반응기 셀뿐만 아니라 음극 및 / 또는 양극 역할을 할 수있는 특수 초음파 프로브를 개발했습니다. 초음파 전극 및 셀은 갈바닉 / 볼타 및 전해 시스템에 사용할 수 있습니다.

최적의 결과를 위해 정밀하게 제어 가능한 진폭

모든 Hielscher 초음파 프로세서는 정밀하게 제어 가능하므로 R에서 신뢰할 수있는 작업 말입니다.&D 및 생산. 진폭은 초음파화학적(sonochemically) 및 초음역학적(sonomechanically) 유도 반응의 효율성과 효과에 영향을 미치는 중요한 공정 파라미터 중 하나입니다. 모든 Hielscher 초음파’ 프로세서를 사용하면 진폭을 정확하게 설정할 수 있습니다. Hielscher의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공하고 까다로운 소노 전기 차미칼 응용 분야에 필요한 초음파 강도를 제공 할 수 있습니다. 최대 200μm의 진폭을 24/7 작동에서 쉽게 연속적으로 실행할 수 있습니다.
정확한 진폭 설정과 스마트 소프트웨어를 통한 초음파 공정 매개 변수의 지속적인 모니터링은 초음파 전기 화학 반응에 정확하게 영향을 미칠 수있는 가능성을 제공합니다. 모든 초음파 처리 실행 중에 모든 초음파 매개 변수가 내장 SD 카드에 자동으로 기록되므로 각 실행을 평가하고 제어 할 수 있습니다. 가장 효율적인 초음파 전기 화학 반응을위한 최적의 초음파 처리!
모든 장비는 최대 부하에서 24/7/365 사용할 수 있도록 제작되었으며 견고성과 신뢰성으로 인해 전기 화학 공정의 주력자입니다. 따라서 Hielscher의 초음파 장비는 초음파 전기 화학 공정 요구 사항을 충족하는 신뢰할 수있는 작업 도구입니다.

최고 품질 – 독일에서 설계 및 제조

가족 소유 및 가족 운영 기업인 Hielscher는 초음파 프로세서에 대한 최고 품질 표준을 우선시합니다. 모든 초음파기는 독일 베를린 근처의 Teltow에있는 본사에서 설계, 제조 및 철저한 테스트를 거쳤습니다. Hielscher의 초음파 장비의 견고 함과 신뢰성은 생산에서 일꾼이됩니다. 최대 부하 및 까다로운 환경에서 24/7 작동은 Hielscher의 고성능 초음파 프로브 및 반응기의 자연스러운 특성입니다.

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