Elektrosonikatioun – Ultraschallelektroden

Elektrosonikatioun ass d’Kombinatioun vun den Effekter vun der Elektrizitéit mat den Effekter vun der Beschallung. Hielscher Ultrasonics huet eng nei an elegant Method entwéckelt, fir all Sonotrod als Elektrod ze benotzen. Domat wierkt d’Leeschtung vum Ultraschall direkt op der Grenzfläch tëscht der Ultraschallelektrod an der Flëssegkeet. Do kann en d’Elektrolys fërderen, de Stofftransport verbesseren a Grenzschichten oder Oflagerungen opbriechen. Hielscher liwwert Ausrüstung fir de Produktiounsasaz fir Elektrosonikatiounsprozesser am Chargebetrib an an Inline-Prozesser an all Moossstaf. Dir kënnt Elektrosonikatioun mat Manosonikatioun (Drock) an Thermosonikatioun (Temperatur) kombinéieren.

Uwendunge vun Ultraschallelektroden

D’Uwendung vun Ultraschall op Elektroden ass eng nei Technologie mat Virdeeler fir vill verschidde Prozesser an der Elektrolys, der Galvaniséierung, der elektrescher Rengegung, der Waasserstoffproduktioun an der Elektrokoagulatioun, der Partikelsynthees oder aneren elektrocheemesche Reaktiounen. Hielscher Ultrasonics huet Ultraschallelektroden fir Fuerschung an Entwécklung am Labormoossstaf oder fir Elektrolys am Pilotmoossstaf direkt disponibel. Nodeems Dir Ären elektrolytesche Prozess getest an optiméiert hutt, kënnt Dir Ultraschallausrüstung vu Hielscher Ultrasonics am Produktiounsmoossstaf benotzen, fir Är Prozessresultater op den industrielle Produktiounsmoossstaf ze iwwerdroen. Hei drënner fannt Dir Virschléi a Recommandatioune fir d’Benotzung vun Ultraschallelektroden.

Sonoelektrolys (Ultraschallelektrolys)

Elektrolys ass den Austausch vun Atomer an Ionen duerch d’Ewechhuelen oder d’Bäifüge vun Elektronen als Resultat vun der Uwendung vun engem elektresche Stroum. D’Produkter vun der Elektrolys kënnen en aneren Aggregatzoustand hunn ewéi den Elektrolyt. Elektrolys ka Feststoffer produzéieren, wéi Nidderschléi oder fest Schichten op enger vun den Elektroden. Alternativ kann Elektrolys Gase produzéieren, wéi Waasserstoff, Chlor oder Sauerstoff. D’Beweegung vun enger Elektrod duerch Ultraschall ka fest Oflagerunge vun der Elektrodenuewerfläch ofléisen. Ultraschallentgasung produzéiert séier méi grouss Gasblosen aus opgeléiste Gase vu Mikroblosen. Dëst féiert zu enger méi séierer Trennung vun de gasfërmege Produkter vum Elektrolyt.

Ultraschallapparat UIP2000hdT (2000 Watt, 20kHz) als Kathod an/oder Anod an enger elektrolytescher Zell

Duerch Ultraschall verstäerkte Stofftransport un der Elektrodenuewerfläch

Wärend der Elektrolys sammelen d’Produkter sech bei den Elektroden oder op der Elektrodenuewerfläch un. D’Beweegung duerch Ultraschall ass e ganz effikasst Mëttel, fir de Stofftransport u Grenzschichten ze erhéijen. Dësen Effekt bréngt frëschen Elektrolyt a Kontakt mat der Elektrodenuewerfläch. Duerch Kavitatioun verursaacht Stréimunge féiere Produkter vun der Elektrolys, wéi Gasen oder Feststoffer, vun der Elektrodenuewerfläch ewech. Déi hemmend Bildung vun isoléierende Schichte gëtt doduerch verhënnert.

Effekter vum Ultraschall op d’Zersetzungspotenzial

D’Beweegung vun der Anod, der Kathod oder béiden Elektroden duerch Ultraschall kann d’Zersetzungspotenzial oder d’Zersetzungsspannung beaflossen. Et ass bekannt, datt Kavitatioun eleng Moleküllen opspalte kann a fräi Radikaler oder Ozon produzéiere kann. D’Kombinatioun vu Kavitatioun mat Elektrolys an enger duerch Ultraschall verstäerkter Elektrolys kann déi minimal néideg Spannung tëscht der Anod an der Kathod vun enger elektrolytescher Zell beaflossen, déi erfuerderlech ass, fir datt Elektrolys stattfënnt. Déi mechanesch a sonocheemesch Effekter vun der Kavitatioun kënnen och d’Energieeffizienz vun der Elektrolys verbesseren.

Ultraschall beim elektrolytesche Raffinéieren an der elektrolytescher Metallgewënnung

Beim elektrolytesche Raffinéiere kënne fest Oflagerunge vu Metaller, wéi Koffer, an eng Suspensioun vu feste Partikelen am Elektrolyt ëmgewandelt ginn. Bei der elektrolytescher Metallgewënnung, och Elektroextraktioun genannt, kann d’elektrolytesch Oflagerung vu Metaller aus hiren Äerzer an e festen Nidderschlag ëmgewandelt ginn. Heefeg elektrolytesch gewonne Metaller si Bläi, Koffer, Gold, Sëlwer, Zénk, Aluminium, Chrom, Kobalt, Mangan souwéi d’Seltenäerdmetaller an d’Alkalimetaller.
Ultraschallbeschallung ass och en effikasst Mëttel fir d’Auslauge vun Äerzer.

Sonoelektrolytesch Rengegung vu Flëssegkeeten

Rengegt eng Flëssegkeet, z. B. eng wässerlech Léisung wéi Ofwaasser, Schlamm oder Änleches, andeems Dir d’Léisung duerch dat elektrescht Feld vun zwou Elektroode leet! D’Elektrolys ka wässerlech Léisungen desinfizéieren oder rengegen. Wann eng NaCI-Léisung zesumme mat Waasser duerch Elektrooden oder iwwer Elektroode geleet gëtt, entsteet Cl2 oder CIO2, déi Veronrengegunge oxidéieren an d’Waasser oder d’wässerlech Léisungen desinfizéiere kënnen. Wann d’Waasser genuch natierlech Chloride enthält, ass keen Zousaz néideg.
Ultraschallschwéngunge vun der Elektrod kënnen d’Grenzschicht tëscht der Elektrod an dem Waasser esou dënn wéi méiglech maachen. Dëst kann de Massentransport ëm vill Gréisstenuerdnunge verbesseren. D’Ultraschallschwéngungen an d’Kavitatioun reduzéieren d’Bildung vu mikroskopesche Blosen duerch Polarisatioun däitlech. D’Benotzung vun Ultraschallelektroode fir d’Elektrolys verbessert den elektrolytesche Rengegungsprozess erheblech.

Sono-Elektrokoagulatioun (Ultraschallelektrokoagulatioun)

D’Elektrokoagulatioun ass eng Method fir d’Behandlung vun Ofwaasser, fir Veronrengegunge wéi emulgéierten Ueleg, de Gesamtgehalt u Pëtrolskuelewaasserstoffer, schwéier ofbaubar organesch Substanzen, suspendéiert Feststoffer a Schwéiermetaller ze entfernen. Och radioaktiv Ione kënne fir d’Waasserrengegung ewechgeholl ginn. D’Ergänzung vun der Elektrokoagulatioun duerch Ultraschallbehandlung, och Sono-Elektrokoagulatioun genannt, huet e positiven Effekt op de cheemesche Sauerstoffbedarf oder op d’Effizienz vun der Trübungsreduktioun. Kombinéiert Behandlungsprozesser mat Elektrokoagulatioun hu staark verbessert Leeschtunge bei der Entfernung vu Schuedstoffer aus industriellem Ofwaasser gewisen. D’Integratioun vun engem Schrëtt, bei deem fräi Radikaler entstinn, wéi der Ultraschallkavitatioun, mat der Elektrokoagulatioun weist Synergien a Verbesserungen am gesamte Rengegungsprozess. Den Zweck vum Asaz vun dësen Ultraschall-elektrolyteschen Hybridsystemer ass et, d’Gesamteffizienz vun der Behandlung ze erhéijen an d’Nodeeler vu konventionelle Behandlungsprozesser ze eliminéieren. Et gouf nogewisen, datt hybrid Ultraschall-Elektrokoagulatiounsreakteren Escherichia coli am Waasser inaktivéieren.

Ultraschallapparat UIP2000hdT (2000 Watt, 20kHz) als Sono-Kathod an/oder Sono-Anod an engem Tank

Sono-elektrolytesch In-situ-Erzeugung vu Reagenzien oder Reaktanten

Vill cheemesch Prozesser, wéi heterogen Reaktiounen oder Katalys, profitéiere vun der Beweegung duerch Ultraschall a vun der Ultraschallkavitatioun. De sonocheemeschen Afloss kann d’Reaktiounsvitesse erhéijen oder d’Ëmsetzungsausbezuele verbesseren.
Elektrooden, déi duerch Ultraschall a Beweegung versat ginn, ergänzen d’cheemesch Reaktiounen ëm en neit leeschtungsstaarkt Instrument. Elo kënnt Dir d’Virdeeler vun der Sonochemie mat der Elektrolys kombinéieren. Produzéiert Waasserstoff, Hydroxidionen, Hypochlorit a vill aner Ionen oder neutral Substanzen direkt am Ultraschallkavitatiounsfeld. D’Produkter vun der Elektrolys kënnen als Reagenzien oder als Reaktante fir d’cheemesch Reaktioun déngen.

Kombinatioun vun Ultraschall mat engem gepulsten elektresche Feld

D’Kombinatioun vun engem gepulsten elektresche Feld (PEF) an Ultraschall (US) huet positiv Effekter op d’Extraktioun vu physikocheemeschen, bioaktive Verbindungen an op d’cheemesch Struktur vun den Extrakten. Bei der Extraktioun vu Mandelen huet déi kombinéiert Behandlung (PEF–US) déi héchst Wäerter fir de Gesamtgehalt u Phenolverbindungen, de Gesamtgehalt u Flavonoiden, kondenséiert Tanninen, den Anthocyangehalt an d’antioxidativ Aktivitéit erginn. Si huet d’Leeschtung an d’Metallchelatéierungsaktivitéit reduzéiert.
Ultraschall (US) an e gepulst elektrescht Feld (PEF) kënne benotzt ginn, fir d’Prozesseffizienz an d’Produktiounsraten a Fermentatiounsprozesser ze erhéijen, andeems si de Massentransport an d’Zellpermeabilitéit verbesseren.
D’Kombinatioun vun engem gepulsten elektresche Feld an enger Ultraschallbehandlung huet en Afloss op d’Kinetik vun der Loftdréchnung an op d’Qualitéit vu gedréchentem Geméis, wéi Muerten. D’Dréchnungszäit kann ëm 20 bis 40% reduzéiert ginn, wärend d’Rehydratiounseegenschaften erhale bleiwen.

Sono-Elektrochemie / Ultraschallelektrochemie

Setzt eng duerch Ultraschall verstäerkt Elektrolys an, fir Reaktanten ze produzéieren oder Produkter vu cheemesche Reaktiounen ze verbrauchen, fir dat finaalt Gläichgewiicht vun der cheemescher Reaktioun ze verréckelen oder de Reaktiounswee ze änneren.

Virgeschloenen Opbau vun Ultraschallelektroden

Den innovative Konzept fir Ultraschallapparater mat Sond mécht aus enger Standard-Ultraschallsonotrod eng Elektrod, déi mat Ultraschall vibréiert. Doduerch gëtt Ultraschall fir Elektroden méi zougänglech, méi einfach z’integréieren an einfach op Produktiounsniveau ze skaléieren. Aner Konstruktiounen hunn nëmmen den Elektrolyt tëscht zwou net a Schwéngung versaten Elektroden a Beweegung bruecht. Ofschattung an d’Ausbreedungsmustere vun Ultraschallwelle liwwere méi schlecht Resultater am Verglach mat der direkter Ureegung vun der Elektrod. Dir kënnt Anoden oder Kathoden duerch Ultraschall a Schwéngung versetzen. Natierlech kënnt Dir d’Spannung an d’Polaritéit vun den Elektroden zu all Moment änneren. Elektroden vun Hielscher Ultrasonics loossen sech einfach a bestoend Anlagen norëschten.

Ofgedichte sonoelektrolytesch Zell an elektrocheemesch Reakteren

Eng drockdicht Dichtung tëscht der Ultraschallsonotrod (Elektrod) an engem Reakterbehälter ass disponibel. Dofir kënnt Dir déi elektrolytesch Zell bei engem aneren Drock wéi dem Ëmgéigendrock bedreiwen. D’Kombinatioun vun Ultraschall mat Drock gëtt Manosonikatioun genannt. Dat kann interessant sinn, wann d’Elektrolys Gase produzéiert, wann Dir bei méi héijen Temperature schafft oder wann Dir mat liichtflüchtege flëssege Komponente schafft. En dicht zouenen elektrocheemesche Reakter ka bei engem Drock iwwer oder ënner dem Ëmgéigendrock bedriwwe ginn. D’Dichtung tëscht der Ultraschallelektrod an dem Reakter kann elektresch leedend oder isoléierend ausgeféiert ginn. Déi lescht Variant erlaabt et, d’Reakterwänn als zweet Elektrod ze bedreiwen. Natierlech kann de Reakter Zou- an Oflafuschlëss hunn, fir als Duerchflosszellereakter fir kontinuéierlech Prozesser ze déngen. Hielscher Ultrasonics bitt eng Villfalt vu standardiséierte Reakteren an Duerchflosszelle mat Mantel un. Alternativ kënnt Dir aus enger Rei vun Adaptere wielen, fir Hielscher-Sonotroden un Ären elektrocheemesche Reakter unzepassen.

Konzentresch Unuerdnung am Réierreakter

Wann d’Elektrod, déi duerch Ultraschall a Schwéngung versat gëtt, no bei enger zweeter, net a Schwéngung versater Elektrod oder no bei enger Reakterwand ass, breede sech d’Ultraschallwellen duerch d’Flëssegkeet aus a wierken och op déi aner Uewerflächen. Eng Elektrod, déi duerch Ultraschall a Schwéngung versat gëtt an an engem Rouer oder an engem Reakter konzentresch ausgeriicht ass, kann déi bannenzeg Wänn fräi vu Beläg oder ugesammelte Feststoffer halen.

Temperatur

Wann Dir Standard-Sonotrode vun Hielscher als Elektrode benotzt, kann d’Temperatur vum Elektrolyt tëscht 0 an 80 Grad Celsius leien. Sonotrode fir aner Elektrolyttemperaturen am Beräich vun -273 Grad Celsius bis 500 Grad Celsius sinn op Ufro disponibel. D’Kombinatioun vun Ultraschall mat Temperatur gëtt Thermosonikatioun genannt.

Viskositéit

Wann d’Viskositéit vum Elektrolyt de Stofftransport hemmt, kéint d’Mëschen duerch Ultraschallschwéngunge wärend der Elektrolys vu Virdeel sinn, well et den Transport vum Material bei d’Elektroden a vun hinne fort verbessert.

Sonoelektrolys mat pulséierendem Stroum

Pulséierende Stroum un den Elektroden, déi duerch Ultraschall a Schwéngung versat ginn, féiert zu anere Produkter wéi Gläichstroum (DC). Zum Beispill kann e pulséierende Stroum d’Verhältnis vun Ozon zu Sauerstoff erhéijen, déi bei der Elektrolys vun enger wässerlecher saurer Léisung, z. B. verdënnter Schwiefelsaier, un der Anod produzéiert ginn. D’Elektrolys vun Ethanol mat gepulstem Stroum produzéiert en Aldehyd amplaz haaptsächlech eng Saier.

Ausrüstung fir Elektrosonikatioun

Hielscher Ultrasonics huet eng speziell sonoelektrocheemesch Erweiderung fir déi industriell Ultraschallwandler entwéckelt. De sou erweiderte Wandler funktionéiert mat bal allen Typpe vun Hielscher-Sonotroden.

Ultraschallelektroden (Sonotroden)

D’Sonotroden si vum Ultraschallgenerator elektresch isoléiert. Dofir kënnt Dir d’Ultraschallsonotrod un eng elektresch Spannung uschléissen, sou datt d’Sonotrod als Elektrod wierke kann. De Standardofstand fir d’elektresch Isolatioun tëscht de Sonotroden an dem Äerdungskontakt ass 2,5 mm. Dofir kéint Dir eng Spannung vu bis zu 2500 Volt un d’Sonotrod uleeën. Standardsonotroden si massiv an aus Titan hiergestallt. Dofir gëtt et bal keng Begrenzung fir den Elektrodestroum. Titan weist eng gutt Korrosiounsbestännegkeet géintiwwer ville baseschen oder saieren Elektrolytten. Alternativ Sonotrodematerialie wéi Aluminium (Al), Stol (Fe), raschtfräie Stol, Néckel-Chrom-Molybdän oder Niob si méiglech. Hielscher bitt käschtegënschteg Sonotroden als Opferanoden un, z. B. aus Aluminium oder Stol.

Ultraschallgenerator, Stroumversuergung

Den Ultraschallgenerator brauch keng Modifikatioun a benotzt eng Standardsteckdous mat Äerdung. D’Horn vum Ultraschallwandler an all baussenzeg Fläche vum Wandler a vum Generator si selbstverständlech mat der Äerdung vun der Steckdous verbonnen. D’Sonotrod an e Spannelement sinn déi eenzeg Deeler, déi mat der Elektrodespannung verbonne sinn. Dat vereinfacht den Opbau vun der Anlag. Dir kënnt d’Sonotrod u Gläichstroum (DC), pulséierende Gläichstroum oder Wiesselstroum (AC) uschléissen. Ultraschallelektrode kënnen als Anoden oder als Kathode bedriwwe ginn.

Produktiounsausrüstung fir Elektrosonikatiounsprozesser

Dir kënnt all Hielscher Ultraschallapparat, wéi UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT oder UIP4000hdT, benotzen, fir bis zu 4000 Watt Ultraschallleeschtung an all Standardsonotrod oder cascatrode anzekoppelen. D’Ultraschallintensitéit op der Uewerfläch vun der Sonotrod kann tëscht 1 Watt an 100 Watt pro Quadratzentimeter leien. Verschidde Sonotrodegeometrië mat Amplitudë vun 1 Mikrometer bis 150 Mikrometer (Spëtzt zu Spëtzt) si verfügbar. D’Ultraschallfrequenz vun 20kHz ass ganz effikass fir Kavitatioun an akustesch Stréimung am Elektrolyt ze generéieren. Hielscher Ultraschallapparater kënnen 24 Stonnen den Dag, siwen Deeg an der Woch bedriwwe ginn. Dir kënnt se kontinuéierlech mat voller Ausgangsleeschtung oder pulséierend bedreiwen, z. B. fir d’Elektrode periodesch ze botzen. Hielscher Ultrasonics kann Ultraschallelektrode mat bis zu 16 Kilowatt Ultraschallleeschtung (mechanesch Beweegung) pro eenzel Elektrod liwweren. Et gëtt bal keng Begrenzung fir déi elektresch Leeschtung, déi Dir un d’Elektroden uschléisse kënnt.

Nach eppes: Sonoelektrostatescht Sprëtzen

Hielscher Ultrasonics stellt Ausrüstung fir d’Sprëtzen, d’Verniwwelen, d’Zerstäuben oder d’Aerosolbildung vu Flëssegkeeten hier. D’Ultraschallsprëtzsonotrod kann dem Flëssegkeetsniwwel oder den Aerosolen eng positiv Ladung ginn. Dat kombinéiert Ultraschallsprëtze mat elektrostatescher Sprëtztechnologie, z. B. fir Beschichtungsprozesser.

Literatur / Referenzen

• 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.