Sonoelektrochemie an hir Virdeeler

Hei fannt Dir alles, wat Dir iwwer Ultraschallelektrochemie (Sonoelektrochemie) wësse musst: Funktiounsprinzip, Uwendungen, Virdeeler a sonoelektrochemesch Ausrüstung – all relevant Informatiounen iwwer Sonoelektrochemie op enger Säit.

Firwat Ultraschall an der Elektrochemie uwenden?

D’Kombinatioun vun niddregfrequenten Ultraschallwelle mat héijer Intensitéit an elektrochemesche Systemer bitt villfälteg Virdeeler, déi d’Effizienz an den Ëmsaztaux vun elektrochemesche Reaktioune verbesseren.

D’Funktiounsprinzip vum Ultraschall

Fir d’Ultraschallveraarbechtung mat héijer Leeschtung gëtt niddregfrequenten Ultraschall mat héijer Intensitéit vun engem Ultraschallgenerator generéiert an iwwer eng Ultraschallsond (Sonotrod) an eng Flëssegkeet iwwerdroen. Als Héichleeschtungsultraschall gëllt Ultraschall am Beräich vu 16–30kHz. D’Ultraschallsond deent sech aus an zitt sech zesummen, z. B. bei 20kHz, a vermëttelt dobäi entspriechend 20.000 Schwéngunge pro Sekonn an de Medium. Wann d’Ultraschallwellen duerch d’Flëssegkeet lafen, entstinn duerch ofwiesselend Héichdrockzyklen (Kompressioun) / Nidderdrockzyklen (Rarefaktioun oder Expansioun) winzeg Vakuumblosen oder Huelraim, déi iwwer verschidden Drockzyklen wuessen. Wärend der Kompressiounsphas vun der Flëssegkeet an de Blosen ass den Drock positiv, wärend d’Rarefaktiounsphas e Vakuum (negativen Drock) produzéiert. Wärend de Kompressiouns- an Expansiounszyklen wuessen d’Huelraim an der Flëssegkeet, bis se eng Gréisst erreechen, bei där se keng weider Energie méi ophuele kënnen. Zu dësem Zäitpunkt implodéiere se hefteg. D’Implosioun vun dësen Huelraim féiert zu verschiddenen héichenergeteschen Effekter, déi als Phänomeen vun der akustescher / Ultraschallkavitatioun bekannt sinn. Akustesch Kavitatioun zeechent sech duerch villfälteg héichenergetesch Effekter aus, déi op Flëssegkeeten, Feststoff/Flëssegkeet-Systemer souwéi Gas/Flëssegkeet-Systemer awierken. D’Zon mat héijer Energiedicht oder Kavitatiounszon ass als sougenannt Hotspot-Zon bekannt. Hir Energiedicht ass an der direkter Ëmgéigend vun der Ultraschallsond am héchsten an hëlt mat zouhuelender Distanz vun der Sonotrod of. Zu den Haaptcharakteristike vun der Ultraschallkavitatioun gehéieren lokal optriedend ganz héich Temperaturen an Drécker an déi entspriechend Temperatur- an Drockdifferenzen, Turbulenzen a Flëssegkeetsstréimungen. Wärend der Implosioun vun Ultraschallhuelraim an Ultraschallhotspotte kënnen Temperature vu bis zu 5000 Kelvin, Drécker vu bis zu 200 Atmosphären a Flëssegkeetsstrale mat bis zu 1000km/h gemooss ginn. Dës aussergewéinlech energieintensiv Bedéngungen droen zu sonomechaneschen a sonochemeschen Effekter bäi, déi elektrochemesch Systemer op verschidde Manéieren intensivéieren.

D’Effekter vum Ultraschall op elektrochemesch Systemer

D’Uwennung vun Ultraschall op elektrocheemesch Reaktiounen ass fir verschidden Effekter op d’Elektroden, d. h. d’Anod an d’Kathod, souwéi op d’Elektrolytléisung bekannt. Ultraschallkavitatioun an akustesch Stréimunge verursaache bedeitend Mikrobeweegungen, opprallend Flëssegkeetsstralen an eng Duerchmëschung vun der Reaktiounsflëssegkeet. Dëst féiert zu enger verbesserter Hydrodynamik a Beweegung vun der Flëssegkeets-/Feststoffmëschung. Ultraschallkavitatioun reduzéiert déi effektiv Déckt vun der Diffusiounsschicht un enger Elektrod. Eng reduzéiert Diffusiounsschicht bedeit, datt d’Ultraschallbehandlung de Konzentratiounsënnerscheed miniméiert, also datt den Ultraschall d’Gläichung tëscht der Konzentratioun an der Géigend vun enger Elektrod an dem Konzentratiounswäert am Haaptvolumen vun der Léisung fërdert. Den Afloss vun der duerch Ultraschall verursaachter Duerchmëschung op d’Konzentratiounsgradienten am Laf vun der Reaktioun garantéiert, datt der Elektrod permanent frësch Léisung zougefouert gëtt an ëmgesat Material oftransportéiert gëtt. Dat bedeit, datt d’Ultraschallbehandlung d’Gesamtkinetik verbessert huet, andeems si d’Reaktiounsgeschwindegkeet beschleunegt an d’Reaktiounsausbeut erhéicht huet.
Duerch d’Abrénge vun Ultraschallenergie an de System souwéi duerch déi sonocheemesch Bildung vu fräie Radikale kënnen elektrocheemesch Reaktiounen ausgeléist ginn, déi soss elektroinaktiv gewiescht wieren. 
En anere wichtegen Effekt vun akustesche Schwéngungen a Stréimungen ass d’Botzwierkung op den Elektrodenuewerflächen. Passivéierend Schichten an Oflagerungen un den Elektroden limitéieren d’Effizienz an d’Reaktiounsgeschwindegkeet vun elektrocheemesche Reaktiounen. D’Ultraschallbehandlung hält d’Elektrode permanent propper a voll aktiv fir d’Reaktioun.
D’Ultraschallbehandlung ass fir hir Entgasungseffekter bekannt, déi och bei elektrocheemesche Reaktioune vu Virdeel sinn. Wann onerwënscht Gasen aus der Flëssegkeet ewechgeholl ginn, kann d’Reaktioun méi wierksam oflafen.

Uwendunge vun der Sonoelektrochemie

D’Sonoelektrochemie ka bei verschiddene Prozesser an a verschiddenen Industrien agesat ginn. Zu de ganz heefegen Uwendunge vun der Sonoelektrochemie gehéieren déi folgend:

• Synthes vun Nanopartikelen (Elektrosynthes)
• Waasserstoffsynthes
• Elektrokoagulatioun
• Ofwaasserbehandlung
• Opbrieche vun Emulsiounen
• Galvanesch Beschichtung / Elektroofscheedung
• Oomesch Erwiermung

Sonoelektrocheemesch Synthes vun Nanopartikelen

D’Ultraschallbehandlung gouf erfollegräich agesat, fir verschidden Nanopartikelen an engem elektrocheemesche System ze synthetiséieren. Magnetit, Cadmium-Selen-(CdSe)-Nanoréier, Platin-Nanopartikelen (NPs), Gold-NPs, metallescht Magnesium, Bismuthen, Nanosëlwer, ultrafeine Koffer, Nanopartikelen aus enger Wolfram–Kobalt-(W–Co)-Legéierung, en Nanokomposit aus Samariumoxid a reduzéiertem Graphenoxid, mat Poly(acrylsaier) ëmgi Koffernanopartikele mat enger Gréisst vun ënner 1nm a vill aner Pudder an Nanogréisst goufen erfollegräich mat Hëllef vun der Sonoelektrochemie hiergestallt.
Zu de Virdeeler vun der sonoelektrocheemescher Nanopartikelsynthes gehéieren

• d’Vermeide vu Reduktiounsmëttelen an Tensiden
• d’Verwendung vu Waasser als Léisungsmëttel
• d’Astellung vun der Nanopartikelgréisst duerch d’Variatioun vu Parameteren (Ultraschallleeschtung, Stroumdicht, Ofscheedungspotenzial an d’Ultraschallpulszäiten am Verglach mat den elektrocheemesche Pulszäiten)

Ashasssi-Sorkhabi a Bagheri (2014) hunn Polypyrrolfilmer sonoelektrochemesch synthetiséiert an d’Resultater mat elektrochemesch synthetiséierte Polypyrrolfilmer verglach. D’Resultater weisen, datt déi galvanostatesch Sonoelektroofscheedung bei enger Stroumdicht vu 4 mA cm–2 an enger Léisung aus 0,1 M Oxalsaier/0,1 M Pyrrol e staark haftenden a glate Polypyrrolfilm (PPy) op Stol erginn huet. Mat sonoelektrochemescher Polymerisatioun hu si héich resistent an zéi PPy-Filmer mat enger glater Uewerfläch kritt. Et gouf gewisen, datt PPy-Beschichtungen, déi duerch Sonoelektrochemie hiergestallt goufen, dem St-12-Stol e wesentleche Korrosiounsschutz bidden. Déi synthetiséiert Beschichtung war gläichméisseg an hat eng héich Korrosiounsbeständegkeet. All dës Resultater kënnen dorop zeréckzeféiere sinn, datt den Ultraschall de Stofftransport vun de Reaktante verbessert an duerch akustesch Kavitatioun an déi doraus resultéierend héich Temperaturen an Drécker héich chemesch Reaktiounsgeschwindegkeete verursaacht huet. D’Validitéit vun den Impedanzdate fir d’Grenzfläch tëscht dem St-12-Stol, den zwou PPy-Beschichtungen an de korrosive Medie gouf mat de KK-Transformatiounen iwwerpréift, an et goufen niddreg duerchschnëttlech Feeler observéiert.

Hass a Gedanken (2008) hunn iwwer déi erfollegräich sonoelektrochemesch Synthes vu metallesche Magnesiumnanopartikele bericht. D’Wierkungsgrade beim sonoelektrochemesche Prozess vum Gringard-Reagens an Tetrahydrofuran (THF) oder an enger Dibutyldiglym-Léisung louche bei 41,35% respektiv 33,08%. D’Zousaz vun AlCl3 zur Gringard-Léisung huet de Wierkungsgrad drastesch erhéicht, an zwar op 82,70% am THF respektiv 51,69% am Dibutyldiglym.

Sonoelektrochemesch Waasserstoffproduktioun

Duerch Ultraschall gefërdert Elektrolys erhéicht d’Waasserstoffausbeut aus Waasser oder alkalesche Léisunge wesentlech. Klickt hei, fir méi iwwer déi duerch Ultraschall beschleunegt elektrolytesch Waasserstoffsynthes ze liesen!

Duerch Ultraschall ënnerstëtzt Elektrokoagulatioun

D’Uwendung vun niddregfrequentem Ultraschall an Elektrokoagulatiounssystemer gëtt als Sonoelektrokoagulatioun bezeechent. Studie weisen, datt d’Beschallung d’Elektrokoagulatioun positiv beaflosst, wat z. B. zu enger méi héijer Effizienz bei der Entfernung vun Eisenhydroxiden aus Ofwaasser féiert. De positiven Afloss vum Ultraschall op d’Elektrokoagulatioun gëtt duerch d’Reduktioun vun der Elektrodepassivéierung erkläert. Niddregfrequenten Ultraschall mat héijer Intensitéit zerstéiert ofgelagert Feststoffschichten an entfernt se effizient, soudatt d’Elektroden kontinuéierlech voll aktiv bleiwen. Ausserdeem aktivéiert den Ultraschall béid Ionenaarten, d. h. Kationen an Anionen, déi an der Reaktiounszon vun den Elektroden disponibel sinn. Déi duerch Ultraschall verursaacht Beweegung féiert zu staarke Mikrobeweegunge vun der Léisung, déi Réimaterial a Produkt bei d’Elektroden transportéieren a vun hinnen ewechféieren.
Beispiller fir erfollegräich Sonoelektrokoagulatiounsprozesser sinn d’Reduktioun vu Cr(VI) zu Cr(III) am pharmazeuteschen Ofwaasser, d’Entfernung vum Gesamtphosphor aus Ofwaasser vun der Feinchemikalienindustrie mat enger Phosphorentfernungseffizienz vun 99,5% bannent 10 min., d’Entfernung vu Faarf a COD aus Ofwaasser vun der Zellstoff- a Pabeierindustrie asw. Déi gemellten Entfernungseffizienze fir Faarf, COD, Cr(VI), Cu(II) a P louche bei 100%, 95%, 100%, 97,3% respektiv 99,84%. (vgl. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sonoelektrochemeschen Ofbau vu Schuedstoffer

Duerch Ultraschall gefërdert elektrochemesch Oxidatiouns- an/oder Reduktiounsreaktioune ginn als leeschtungsstaark Method agesat, fir chemesch Schiedstoffer ofzebauen. Sonomechanesch a sonochemesch Mechanisme fërderen den elektrochemeschen Ofbau vu Schiedstoffer. Duerch Ultraschall generéiert Kavitatioun féiert zu intensiver Beweegung, Mikrovermëschung, Stofftransport an der Entfernung vu passéierende Schichte vun den Elektroden. Dës Kavitatiounseffekter verbesseren haaptsächlech de Feststoff-Flëssegkeets-Stofftransport tëscht den Elektroden an der Léisung. Sonochemesch Effekter wierken direkt op Moleküllen. Duerch d’homolytesch Spaltung vu Moleküllen entstinn héichreaktiv Oxidatiounsmëttel. A wässerleche Medien an a Präsenz vu Sauerstoff gi Radikaler wéi HO•, HO2• an O• produzéiert. Et ass bekannt, datt •OH-Radikaler wichteg fir den effizienten Ofbau vun organesche Materialie sinn. Insgesamt weist de sonoelektrochemeschen Ofbau eng héich Effizienz an eegent sech fir d’Behandlung vu grousse Volume vun Ofwaasserstréim an anere verknaschte Flëssegkeeten.
Zum Beispill hunn Lllanos et al. (2016) festgestallt, datt bedeitend synergistesch Effekter bei der Waasserdesinfektioun erreecht goufen, wann den elektrochemesche System duerch Ultraschallbehandlung intensivéiert gouf (sonoelektrochemesch Desinfektioun). Et gouf festgestallt, datt dës Erhéijung vun der Desinfektiounsquot mat der Ënnerdréckung vun E. coli-Zellagglomerater souwéi enger verstäerkter Produktioun vun desinfizéierende Spezies zesummenhänkt. Esclapez et al. (2010) hu gewisen, datt beim Opskaléiere vum Ofbau vun Trichloressigsäure (TCAA) e speziell entwéckelte sonoelektrochemesche Reakter (deen awer net optiméiert war) agesat gouf an datt d’Präsenz vun engem mam UIP1000hd generéierten Ultraschallfeld bei méi niddregen Ultraschallintensitéiten a méi niddregem Volumenduerchfloss besser Resultater geliwwert huet (ëmgesaten Undeel 97%, Ofbaueffizienz 26%, Selektivitéit 0,92 a Stroumeffizienz 8%). Wann ee berücksichtegt, datt de sonoelektrochemesche Reakter am Virpilotmoossstaf nach net optiméiert war, ass et ganz warscheinlech, datt dës Resultater nach weider kënne verbessert ginn.

Ultraschallvoltammetrie an Elektroofscheedung

D’Elektroofscheedung gouf galvanostatesch bei enger Stroumdicht vu 15 mA/cm2 duerchgefouert. D’Léisunge goufe virun der Elektroofscheedung 5–60 Minutte laang mat Ultraschall behandelt. En Hielscher UP200S Ultraschallapparat vum Sondentyp gouf bei enger Zykluszäit vun 0,5 agesat. D’Ultraschallbehandlung gouf duerch direkt Antauche vun der Ultraschallsond an d’Léisung duerchgefouert. Fir den Afloss vum Ultraschall op d’Léisung virun der Elektroofscheedung ze evaluéieren, gouf zyklesch Voltammetrie (CV) agesat, fir d’Verhale vun der Léisung ze ënnersichen an esou ideal Bedéngunge fir d’Elektroofscheedung viraussoen ze kënnen. Et gëtt observéiert, datt d’Ofscheedung bei manner negative Potenzialwäerter ufänkt, wann d’Léisung virun der Elektroofscheedung mat Ultraschall behandelt gëtt. Dat bedeit, datt beim selwechte Stroum an der Léisung manner Potenzial néideg ass, well d’Spezies an der Léisung méi aktiv si wéi an de Léisungen, déi net mat Ultraschall behandelt goufen. (vgl. Yurdal & Karahan 2017)
Liest méi iwwer d’sonoelektrochemesch Ofscheedung vun nanoverstäerkte Beschichtungen!

Héichleeschtungssonde fir d’Elektrochemie a SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics ass Äre Partner mat laangjäreger Erfarung am Beräich vun Héichleeschtungsultraschallsystemer. Mir produzéieren a verdreiwen Ultraschallsonden a Reakteren nom neiste Stand vun der Technik, déi weltwäit fir Uwendunge mat héijer Belaaschtung an usprochsvollen Ëmfeld agesat ginn. Fir d’Sonoelektrochemie huet Hielscher speziell Ultraschallsonden entwéckelt, déi als Kathod an/oder Anod dénge kënnen, souwéi Ultraschallreakterzellen, déi fir elektrochemesch Reaktioune gëeegent sinn. Ultraschallelektroden an -zelle si fir galvanesch / voltaesch souwéi fir elektrolytesch Systemer verfügbar.

Prezéis reegelbar Amplitudë fir optimal Resultater

All Ultraschallprozessoren vun Hielscher loosse sech prezis steieren a sinn domat zouverlässeg Aarbechtsinstrumenter an der Fuerschung an Entwécklung an an der Produktioun. D’Amplitud ass ee vun den entscheedende Prozessparameteren, déi d’Effizienz an d’Wierksamkeet vu sonochemesch a sonomechanesch induzéierte Reaktioune beaflossen. All Prozessore vun Hielscher Ultrasonics erlaben eng prezis Astellung vun der Amplitud. Déi industriell Ultraschallprozessoren vun Hielscher kënne ganz héich Amplitudë liwweren a liwweren déi néideg Ultraschallintensitéit fir usprochsvoll sonoelektrochemesch Uwendungen. Amplitudë vu bis zu 200µm kënne problemlos kontinuéierlech am 24/7-Betrib agesat ginn.
Prezis Amplitudenastellungen an déi permanent Iwwerwaachung vun den Ultraschallprozessparameteren iwwer intelligent Software ginn Iech d’Méiglechkeet, déi sonoelektrochemesch Reaktioun prezis ze beaflossen. Bei all Ultraschallbehandlung ginn all Ultraschallparameteren automatesch op enger agebauter SD-Kaart opgezeechent, sou datt all Duerchlaf ausgewäert a kontrolléiert ka ginn. Optimal Ultraschallbehandlung fir déi effizientst sonoelektrochemesch Reaktiounen!
All Apparater si fir den Asaz 24/7/365 ënner voller Laascht gebaut, an hir Robustheet an Zouverlässegkeet maachen si zu kräftegen Aarbechtsinstrumenter an Ärem elektrochemesche Prozess. Doduerch sinn d’Ultraschallapparater vun Hielscher zouverlässeg Aarbechtsinstrumenter, déi d’Ufuerderunge vun Ärem sonoelektrochemesche Prozess erfëllen.

Héchst Qualitéit – An Däitschland entwéckelt an hiergestallt

Als Entreprise am Familljebesëtz an ënner Familljele sutung leet Hielscher bei sengen Ultraschallprozessoren déi héchst Qualitéitsstandarden un. All Ultraschallapparater ginn an eisem Haaptsëtz zu Teltow bei Berlin an Däitschland entwéckelt, hiergestallt a grëndlech getest. D’Robustheet an d’Zouverlässegkeet vun den Ultraschallapparater vun Hielscher maachen si zu kräftegen Aarbechtsinstrumenter an Ärer Produktioun. De 24/7-Betrib ënner voller Laascht an an usprochsvollen Ëmfeld ass eng selbstverständlech Eegenschaft vun de leeschtungsstaarken Ultraschallsonden a Reaktere vun Hielscher.

Kontaktéiert eis elo an deelt eis d’Ufuerderunge vun Ärem elektrochemesche Prozess mat! Mir recommandéieren Iech déi gëeegentst Ultraschallelektroden a Reakterkonfiguratioun!