Sono-Electrochemistry a seng Virdeeler
Hei fannt Dir alles wat Dir wësse musst iwwer Ultraschall Elektrochemie (Sonoelectrochemistry): Aarbechtsprinzip, Uwendungen, Virdeeler a Sono-elektrochemesch Ausrüstung – all relevant Informatiounen iwwert sonoelectrochemistry op enger Säit.
Firwat Ultrasonics op Elektrochemie uwenden?
D'Kombinatioun vu Low-Frequenz, High-Intensity Ultraschallwellen mat elektrochemesche Systemer kënnt mat villfälteg Virdeeler, déi d'Effizienz an d'Konversiounsquote vun elektrochemesche Reaktiounen verbesseren.
Den Aarbechtsprinzip vun Ultrasonics
Fir High-Performance Ultraschallveraarbechtung gëtt High-Intensitéit, Low-Frequenz Ultraschall vun engem Ultraschallgenerator generéiert an iwwer eng Ultraschallsonde (Sonotrode) an eng Flëssegkeet iwwerdroen. Héichkraaft Ultraschall gëtt als Ultraschall am Beräich vun 16-30kHz ugesinn. D'Ultraschallsonde erweidert a kontraktéiert zB bei 20kHz, wouduerch respektiv 20.000 Schwéngungen pro Sekonn an de Medium iwwerdroen. Wann d'Ultraschallwellen duerch d'Flëssegkeet reesen, erstellt alternéierend Héichdrock (Kompressioun) / Low-Drock (Rarefaktioun oder Expansioun) Zyklen Minutt Vakuumblasen oder Huelraim, déi iwwer verschidden Drockzyklen wuessen. Wärend der Kompressiounsphase vun der Flëssegkeet a Blasen ass den Drock positiv, während d'Rarefaktiounsphase e Vakuum produzéiert (negativen Drock). Wärend de Kompressiouns-Expansiounszyklen wuessen d'Huelraim an der Flëssegkeet bis se eng Gréisst erreechen, bei där se net méi Energie absorbéiere kënnen. Zu dësem Zäitpunkt implodéiere se gewalteg. D'Implosioun vun dësen Huelraim resultéiert zu verschiddenen héich energesche Effekter, déi als Phänomen vun akustescher / Ultraschall Kavitatioun bekannt sinn. Akustesch Kavitatioun ass charakteriséiert duerch manifold héich energesche Effekter, déi Flëssegkeeten, fest / flësseg Systemer souwéi Gas / Flëssegkeetssystemer beaflossen. D'energiedichte Zone oder d'Kavitatiounszon ass bekannt als sougenannte Hot-Spot-Zone, déi am meeschte energiedicht an der noer Noperschaft vun der Ultraschallsonde ass a mat ëmmer méi Ofstand vun der Sonotrode ofhëlt. D'Haaptcharakteristike vun der Ultraschallkavitatioun enthalen lokal optrieden ganz héich Temperaturen an Drock a jeweileg Differenzen, Turbulenzen a Flëssegkeetsstroum. Bei der Implosioun vun Ultraschallhuelraim an Ultraschall-Hot-Spots kënnen Temperature vu bis zu 5000 Kelvin, Drock vu bis zu 200 Atmosphären a Flëssegjets mat bis zu 1000km/h gemooss ginn. Dës aussergewéinlech energie-intensiv Bedéngungen droen zu sonomechanical a sonochemical Effekter bäi, déi elektrochemesch Systemer op verschidde Weeër verstäerken.
- Erhéicht Massentransfer
- Erosioun / Dispersiounen vu Feststoffer (Elektrolyten)
- Ënnerbriechung vu festen / flëssege Grenzen
- Héich Drock Zyklen
D'Effekter vun Ultraschall op Elektrochemesch Systemer
D'Uwendung vun Ultraschall op elektrochemesch Reaktiounen ass bekannt fir verschidden Effekter op d'Elektroden, dh d'Anode an d'Kathode, wéi och d'elektrolytesch Léisung. Ultraschall Kavitatioun an akustesch Streaming generéieren bedeitend Mikrobewegung, impinging Flëssegjets an Agitatioun an d'Reaktiounsflëssegkeet. Dëst resultéiert zu enger verbesserter Hydrodynamik a Bewegung vun der Flëssegkeet / Feststoffmëschung. Ultraschall Kavitatioun reduzéiert d'effektiv Dicke vun der Diffusiounsschicht bei enger Elektrode. Eng reduzéiert Diffusiounsschicht bedeit datt d'Sonicatioun den Konzentratiounsdifferenz miniméiert, dat heescht datt d'Konvergenz vun der Konzentratioun an der Géigend vun enger Elektrode an de Konzentratiounswäert an der Bulkléisung ultraschall gefördert ginn. Den Afloss vun Ultrasonic Agitatioun op d'Konzentratiounsgradienten während der Reaktioun suergt fir d'permanent Ernierung vu frëscher Léisung op d'Elektrode an d'Ofdreiwung vu reagéiertem Material. Dëst bedeit datt d'Sonicatioun d'Gesamtkinetik verbessert huet, déi d'Reaktiounsgeschwindegkeet beschleunegt an d'Reaktiounsausbezuelung erhéicht.
Duerch d'Aféierung vun Ultraschallenergie an de System wéi och d'sonochemesch Bildung vu fräi Radikale kann elektrochemesch Reaktioun, déi soss elektroinaktiv gewiescht wier, initiéiert ginn. En anere wichtegen Effekt vun akustescher Schwéngung a Streaming ass de Reinigungseffekt op d'Elektrodenoberflächen. Passivéierend Schichten a Fouling bei den Elektroden limitéieren d'Effizienz an d'Reaktiounsquote vun elektrochemesche Reaktiounen. Ultrasonication hält d'Elektroden permanent propper a voll aktiv fir Reaktioun. Ultrasonication ass bekannt fir seng Entgasungseffekter, déi och an elektrochemesche Reaktiounen profitabel sinn. Onerwënscht Gase vun der Flëssegkeet ewechhuelen, kann d'Reaktioun méi efficace lafen.
- Erhéicht elektrochemesch Ausbezuelen
- Verbesserte elektrochemesch Reaktiounsgeschwindegkeet
- verbessert allgemeng Effizienz
- Reduzéiert Diffusioun Schichten
- Verbesserte Massentransfer op der Elektrode
- Surface Aktivatioun op der Elektrode
- Entfernung vu passivéierende Schichten a Fouling
- Reduzéiert Elektroden Iwwerpotenzial
- Effizient Entgasung vun der Léisung
- Superior electroplating Qualitéit
Uwendungen vun Sonoelectrochemistry
Sonoelectrochemistry kann op verschidde Prozesser an a verschiddenen Industrien applizéiert ginn. Ganz heefeg Uwendunge vun der Sonoelektrochemie enthalen déi folgend:
- Nanopartikel Synthese (Elektrosynthese)
- Waasserstoff Synthese
- elektrokoagulation
- Ofwaasser Behandlung
- Emulsiounen briechen
- Electroplating / Electrodeposition
Sono-elektrochemesch Synthese vun Nanopartikelen
Ultrasonication gouf erfollegräich applizéiert fir verschidde Nanopartikelen an engem elektrochemesche System ze synthetiséieren. Magnetit, Kadmium-Selen (CdSe) Nanotubes, Platin Nanopartikel (NPs), Gold NPs, metallescht Magnesium, Bismuthen, Nano-Sëlwer, ultra-fein Kupfer, Wolfram-Kobalt (W-Co) Legierung Nanopartikel, Samaria / Reduzéiert Graphenoxid Nanokomposit , Sub-1nm Poly(Acrylsäure)-capped Kupfer Nanopartikel a vill aner Nano-Gréisst Puder goufen erfollegräich mat Sonoelectrochemistry produzéiert.
Virdeeler vun der sonoelectrochemical Nanopartikel Synthese och de
- Vermeidung vu Reduktiounsmëttelen an Surfaktanten
- d'Benotzung vu Waasser als Léisungsmëttel
- Upassung vun der Nanopartikelgréisst duerch variéiere Parameteren (ultrasonic Kraaft, Stroumdicht, Oflagerungspotenzial an Ultraschall vs elektrochemesch Pulszäiten)
Ashasssi-Sorkhabi a Bagheri (2014) synthetiséiert Polypyrrolfilmer sonoelektrochemesch a verglach d'Resultater mat elektrocheesch synthetiséierte Polypyrrolfilmer. D'Resultater weisen datt d'galvanostatesch Sonoelectrodeposition e staark adherent a glat Polypyrrol (PPy) Film op Stol produzéiert huet, mat enger Stroumdicht vu 4 mA cm-2 an 0,1 M Oxalsäure / 0,1 M Pyrrol Léisung. Mat sonoelectrochemical Polymeriséierung, hu si héich-Resistenz an haart PPy Filmer mat glater Uewerfläch kritt. Et gouf gewisen datt PPy Beschichtungen, déi duerch Sonoelektrochemie virbereet sinn, e wesentleche Korrosiounsschutz fir St-12 Stahl ubidden. Déi synthetiséiert Beschichtung war eenheetlech an huet eng héich Korrosiounsbeständegkeet gewisen. All dës Resultater kënnen un der Tatsaach zougeschriwwe ginn datt den Ultraschall de Massentransfer vun de Reaktanten verbessert huet an héich chemesch Reaktiounsraten iwwer akustesch Kavitatioun an déi resultéierend héich Temperaturen an Drock verursaacht huet. D'Validitéit vun Impedanzdaten fir de St-12 Stol / zwee PPy Beschichtungen / korrosive Medien Interface gouf iwwerpréift mat de KK Transformen, an déi niddreg Moyenne Feeler goufen observéiert.
Hass and Gedanken (2008) gemellt déi erfollegräich sono-elektrochemesch Synthese vu metallesche Magnesium Nanopartikel. D'Effizienz am sonoelectrochemical Prozess vum Gringard Reagens am Tetrahydrofuran (THF) oder an enger Dibutyldiglyme Léisung waren 41,35% respektiv 33,08%. D'Addéiere vun AlCl3 an d'Gringard-Léisung huet d'Effizienz dramatesch erhéicht, wat se op 82,70% an 51,69% am THF oder Dibutyldiglyme erhéicht huet, respektiv.
Sono-Electrochemical Wasserstoff Produktioun
Ultraschall gefördert Elektrolyse erhéicht d'Waasserstoffausgabe vu Waasser oder alkalesche Léisungen wesentlech. Klickt hei fir méi iwwer déi ultraschall beschleunegt elektrolytesch Waasserstoffsynthese ze liesen!
Ultraschall Assistéiert Elektrokoagulatioun
D'Applikatioun vu Low-Frequenz Ultraschall op Elektrokoagulkatiounssystemer ass bekannt als Sono-Elektrokoagulatioun. Studien weisen datt d'Sonication d'Elektrokoagulatioun positiv beaflosst, zB zu méi héijer Entfernungseffizienz vun Eisenhydroxiden aus Ofwaasser. De positiven Impakt vun Ultraschall op Elektrokoagulatioun gëtt erkläert duerch d'Reduktioun vun der Elektrodepassivatioun. Niddereg-Frequenz, héich-Intensitéit Ultraschall zerstéiert deposéiert fest Schicht an läscht se effizient, doduerch d'Elektroden kontinuéierlech voll aktiv ze halen. Ausserdeem aktivéiert Ultraschall béid Ionentypen, dh Kationen an Anionen, präsent an der Elektrodenreaktiounszon. Ultraschall Agitatioun resultéiert an enger héijer Mikrobewegung vun der Léisung, déi d'Fütterung an d'Rohmaterial an d'Produkt op a vun den Elektroden transportéiert.
Beispiller fir erfollegräich Sono-Elektrokoagulatiounsprozesser sinn d'Reduktioun vu Cr(VI) op Cr(III) am pharmazeuteschen Ofwaasser, d'Entfernung vum Gesamtphosphor aus Offluenten vun der feinchemescher Industrie mat enger Phosphor-Entfernungseffizienz war 99,5% bannent 10 min., Faarf an COD Ewechhuele vun Effluents vun der Pulp a Pabeier Industrie etc. Rapportéiert Ewechhuele Effizienz fir vun Faarf, COD, Cr (VI), Cu (II) an P waren 100%, 95%, 100%, 97,3%, an 99,84% , respektiv. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)
Sono-elektrochemesch Degradatioun vu Pollutanten
Ultraschall gefördert elektrochemesch Oxidatioun an / oder Reduktiounsreaktiounen ginn als mächteg Method applizéiert fir chemesch Verschmotzung ze degradéieren. Sonomechanical a sonochemical Mechanismen förderen d'elektrochemesch Degradatioun vu Pollutanten. Ultraschall generéiert Kavitatioun féiert zu intensiver Agitatioun, Mikro-Mëschung, Massentransfer an d'Entfernung vu passivéierende Schichten aus den Elektroden. Dës kavitational Effekter féieren haaptsächlech zu enger Verbesserung vum festen-flëssege Massentransfer tëscht den Elektroden an der Léisung. Sonochemesch Effekter beaflossen direkt Molekülen. Homolytesch Spaltung vu Molekülle kreéiert héich reaktiv Oxidanten. A wässerleche Medien an an der Präsenz vu Sauerstoff ginn Radikale wéi HO•, HO2• an O• produzéiert. •OH Radikale si bekannt als wichteg fir den effizienten Zersetzung vun organeschen Materialien. Insgesamt weist sono-elektrochemesch Degradatioun héich Effizienz an ass gëeegent fir d'Behandlung vu grousse Volumen vu Ofwaasserstroum an aner verschmotzt Flëssegkeeten.
Zum Beispill, Lllanos et al. (2016) fonnt datt bedeitend synergistesch Effekter fir Waasserdesinfektioun kritt goufen wann den elektrochemesche System duerch Sonikatioun verstäerkt gouf (sono-elektrochemesch Desinfektioun). Dës Erhéijung vun der Desinfektiounsquote gouf fonnt mat der Ënnerdréckung vun E. coli Zellagglomeraten wéi och eng verstäerkte Produktioun vun Desinfektiounsarten. Esclapez et al. (2010) huet gewisen datt e speziell entworfene sonoelectrochemical Reaktor (awer net optimiséiert) während der Skala-up vun Trichloroacetic Seier (TCAA) Degradatioun benotzt gouf, d'Präsenz vun Ultraschallfeld generéiert mat der UIP1000hd huet besser Resultater geliwwert (fraktionell Konversioun 97%, Ofbau Effizienz 26%, Selektivitéit 0,92 an aktuell Effizienz 8%) bei nidderegen Ultraschallintensitéiten a Volumetresch Flow. Bedenkt datt de Pre-Pilot sonoelectrochemical Reaktor nach net optimiséiert war, ass et ganz wahrscheinlech datt dës Resultater nach weider verbessert kënne ginn.
Ultraschall Voltammetrie an Elektrodepositioun
Elektrodeposition gouf galvanostatesch bei der aktueller Dicht vu 15 mA/cm2 duerchgefouert. Léisunge goufen Ultraschall virun der Elektrodepositioun fir 5-60 Minutten ënnerworf. A Hielscher UP200S Sonde-Typ Ultrasonicator gouf bei enger Zykluszäit vun 0,5 benotzt. Ultrasonication gouf erreecht andeems Dir d'Ultraschallsonde direkt an d'Léisung taucht. Fir den Ultraschall Impakt op d'Léisung virun der Elektrodepositioun ze evaluéieren, gouf zyklesch Voltammetrie (CV) benotzt fir d'Léisungsverhalen z'entdecken an et méiglech ideal Konditioune fir Elektrodepositioun virauszesoen. Et gëtt beobachtet datt wann d'Léisung Ultraschall virun der Elektrodepositioun ënnerworf gëtt, fänkt d'Depositioun bei manner negativen Potenzialwäerter un. Dëst bedeit datt am selwechte Stroum an der Léisung manner Potenzial erfuerderlech ass, well d'Arten an der Léisung méi aktiv behuelen wéi an net-ultrasonicéierten. (cf. Yurdal & Karahan 2017)
High-Performance Electrochemical Probes a SonoElectroReactors
Hielscher Ultrasonics ass Äre laangjärege erfuerene Partner fir High-Performance Ultrasonic Systemer. Mir fabrizéieren a verdeelen modernste Ultraschallsonden a Reaktoren, déi weltwäit fir schwéier Applikatiounen an usprochsvollen Ëmfeld benotzt ginn. Fir Sonoelectrochemistry huet Hielscher speziell Ultraschallsonden entwéckelt, déi als Kathode an/oder Anode kënnen handelen, souwéi Ultraschallreaktorzellen, déi fir elektrochemesch Reaktiounen gëeegent sinn. Ultrasonic Elektroden an Zellen si fir galvanesch / voltaesch wéi och elektrolytesch Systemer verfügbar.
Genau kontrolléierbar Amplituden fir optimal Resultater
All Hielscher Ultrasonic Prozessoren si präzis kontrolléierbar an domat zouverlässeg Aarbechtspäerd am R&D an Produktioun. D'Amplitude ass ee vun de entscheedende Prozessparameter déi d'Effizienz an d'Effizienz vu sonochemesch a sonomechanesch induzéierte Reaktiounen beaflossen. All Hielscher Ultrasonics’ Prozessoren erlaben déi präzis Astellung vun der Amplitude. Hielscher's industrielle Ultraschallprozessoren kënnen ganz héich Amplituden liwweren an déi erfuerderlech Ultraschallintensitéit fir erfuerderlech sono-elektrochemesch Uwendungen liwweren. Amplituden vu bis zu 200µm kënne ganz einfach kontinuéierlech a 24/7 Operatioun lafen.
Genau Amplitude-Astellungen an déi permanent Iwwerwaachung vun den Ultraschallprozessparameter iwwer intelligent Software ginn Iech d'Méiglechkeet d'Sonoelektrochemesch Reaktioun präzis ze beaflossen. Wärend all Sonikatiounslaf ginn all Ultraschallparameter automatesch op enger agebauter SD-Kaart opgeholl, sou datt all Laf evaluéiert a kontrolléiert ka ginn. Optimal Sonikatioun fir déi effizientst sonoelektrochemesch Reaktiounen!
All Ausrüstung ass fir den 24/7/365 Gebrauch ënner voller Laascht gebaut a seng Robustheet an Zouverlässegkeet maachen et zum Aarbechtspäerd an Ärem elektrochemesche Prozess. Dëst mécht Hielscher's Ultraschallausrüstung zu engem zouverléissege Aarbechtsinstrument dat Är sonoelectrochemical Prozessfuerderunge erfëllt.
Héchste Qualitéit – Entworf a fabrizéiert an Däitschland
Als Familljebesëtz a Familljebetrib, Hielscher prioritär héchst Qualitéitsnormen fir seng Ultraschallprozessoren. All Ultraschaller ginn entworf, fabrizéiert a grëndlech getest an eisem Sëtz zu Teltow bei Berlin, Däitschland. Robustheet an Zouverlässegkeet vun der Hielscher Ultraschallausrüstung maachen et zu engem Aarbechtspäerd an Ärer Produktioun. 24/7 Operatioun ënner voller Belaaschtung an an usprochsvollen Ëmfeld ass eng natierlech Charakteristik vun den Hielscher High-Performance Ultraschallsonden a Reaktoren.
Kontaktéiert eis elo a sot eis iwwer Är elektrochemesch Prozess Ufuerderunge! Mir recommandéieren Iech déi gëeegent Ultraschallelektroden a Reaktor-Setup!
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Literatur / Referenzen
- 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.
- Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): A Cyclic Voltammetry Study on Electrodeposition of Cu-Zn Alloy Films: Effect of Ultrasonication Time. Acta Physica Polonica Vol 132, 2017. 1087-1090.
- Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): An Introduction to Sonoelectrochemistry In: Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution, First Edition. Edited by Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, Ltd.
- Llanos, J.; Cotillas, S.; Cañizares, P.; Rodrigo, M. (2016): Conductive diamond sono-electrochemical disinfection 1 ( CDSED ) for municipal wastewater reclamation. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 22, January 2015. 493-498.
- Haas, I.: Gedanken A. (2008): Synthesis of metallic magnesium nanoparticles by sonoelectrochemistry. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795-1798.
- Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri R. (2014): Sonoelectrochemical and Electrochemical Synthesis of Polypyrrole Films on St-12 Steel and Their Corrosion and Morphological Studies. Advances in Polymer Technology Vol. 33, Issue 3; 2014.
- Esclapez, M.D.; VSáez, V.; Milán-Yáñez, D.; Tudela, I.; Louisnard, O.; González-García, J. (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry 17, 2010. 1010-1010.