Elektrosonikācija – ultraskaņas elektrodi

Elektrosonikācija ir elektrības iedarbības apvienojums ar apstrādes ar ultraskaņu iedarbību. Hielscher Ultrasonics ir izstrādājis jaunu un elegantu metodi, kas ļauj jebkuru sonotrodi izmantot kā elektrodu. Tādējādi ultraskaņas jauda tiek pievadīta tieši ultraskaņas elektroda un šķidruma saskares virsmai. Tur tā var veicināt elektrolīzi, uzlabot masas pārnesi un noārdīt robežslāņus vai nogulsnes. Hielscher piegādā ražošanai paredzētas iekārtas jebkura mēroga elektrosonikācijas procesiem gan periodiskā, gan caurplūdes režīmā. Elektrosonikāciju var apvienot ar manosonikāciju (spiediens) un termosonikāciju (temperatūra).

Ultraskaņas elektrodu lietojumi

Ultraskaņas izmantošana elektrodiem ir jauna tehnoloģija, kas sniedz priekšrocības daudzos dažādos elektrolīzes, galvanizācijas, elektroattīrīšanas, ūdeņraža ieguves un elektrokoagulācijas procesos, daļiņu sintēzē vai citās elektroķīmiskās reakcijās. Hielscher Ultrasonics piedāvā viegli pieejamus ultraskaņas elektrodus pētniecībai un izstrādei laboratorijas vai pilotmēroga elektrolīzē. Pēc elektrolīzes procesa pārbaudes un optimizēšanas varat izmantot Hielscher Ultrasonics ražošanas mēroga ultraskaņas iekārtas, lai pārnestu procesa rezultātus uz rūpnieciskās ražošanas mērogu. Tālāk atradīsiet ierosinājumus un ieteikumus ultraskaņas elektrodu izmantošanai.

Sonoelektrolīze (ultraskaņas elektrolīze)

Elektrolīze ir atomu un jonu savstarpēja pārvēršanās, atņemot vai pievienojot elektronus elektriskās strāvas iedarbībā. Elektrolīzes produktu agregātstāvoklis var atšķirties no elektrolīta agregātstāvokļa. Elektrolīzē var veidoties cietas vielas, piemēram, nogulsnes vai cieti slāņi uz viena vai otra elektroda. Elektrolīzē var veidoties arī gāzes, piemēram, ūdeņradis, hlors vai skābeklis. Elektroda svārstības ultraskaņas iedarbībā var atdalīt cietas nogulsnes no elektroda virsmas. Ultraskaņas degazācija ātri veido lielākus gāzes burbuļus no mikroburbulīšu izšķīdušajām gāzēm. Tas paātrina gāzveida produktu atdalīšanos no elektrolīta.

Ultraskaņas ierīce UIP2000hdT (2000 vati, 20kHz) kā katods un/vai anods elektrolīzes šūnā

Ar ultraskaņu uzlabota masas pārnese pie elektroda virsmas

Elektrolīzes procesā produkti uzkrājas elektrodu tuvumā vai uz elektroda virsmas. Ultraskaņas izraisīta sajaukšana ir ļoti efektīvs līdzeklis masas pārneses palielināšanai robežslāņos. Šī iedarbība nodrošina svaiga elektrolīta saskari ar elektroda virsmu. Kavitācijas izraisītā plūsma aizvada elektrolīzes produktus, piemēram, gāzes vai cietas vielas, prom no elektroda virsmas. Tādējādi tiek novērsta procesu kavējošu izolējošu slāņu veidošanās.

Ultraskaņas ietekme uz sadalīšanās potenciālu

Anoda, katoda vai abu elektrodu svārstības ultraskaņas iedarbībā var ietekmēt sadalīšanās potenciālu vai sadalīšanās spriegumu. Ir zināms, ka kavitācija pati par sevi sašķeļ molekulas, rada brīvos radikāļus vai ozonu. Kavitācijas un elektrolīzes apvienojums ar ultraskaņu pastiprinātā elektrolīzē var ietekmēt minimālo nepieciešamo spriegumu starp elektrolīzes šūnas anodu un katodu, lai notiktu elektrolīze. Kavitācijas mehāniskā un sonoķīmiskā iedarbība var uzlabot arī elektrolīzes energoefektivitāti.

Ultraskaņa elektrorafinēšanā un metālu elektrolītiskajā ieguvē

Elektrorafinēšanas procesā cietas metālu, piemēram, vara, nogulsnes var pārvērst par cietu daļiņu suspensiju elektrolītā. Metālu elektrolītiskajā ieguvē, ko dēvē arī par elektroekstrakciju, metālu elektrolītisko izgulsnēšanu no to rūdām var pārvērst par cietām nogulsnēm. Bieži elektrolītiski iegūti metāli ir svins, varš, zelts, sudrabs, cinks, alumīnijs, hroms, kobalts, mangāns, kā arī retzemju metāli un sārmu metāli.
Apstrāde ar ultraskaņu ir arī efektīvs līdzeklis rūdu izskalošanai.

Šķidrumu sonoelektrolītiskā attīrīšana

Attīriet šķidrumu, piemēram, ūdens šķīdumu, tādu kā notekūdeņi, dūņas vai līdzīgi materiāli, laižot šķīdumu caur divu elektrodu elektrisko lauku! Ar elektrolīzi var dezinficēt vai attīrīt ūdens šķīdumus. Padodot NaCI šķīdumu kopā ar ūdeni caur elektrodiem vai pāri tiem, rodas Cl2 vai CIO2, kas var oksidēt piemaisījumus un dezinficēt ūdeni vai ūdens šķīdumus. Ja ūdens satur pietiekami daudz dabisko hlorīdu, papildu pievienošana nav nepieciešama.
Elektroda ultraskaņas svārstības var padarīt robežslāni starp elektrodu un ūdeni pēc iespējas plānāku. Tas var uzlabot masas pārnesi par daudzām lieluma kārtām. Ultraskaņas svārstības un kavitācija ievērojami samazina polarizācijas izraisītu mikroskopisku burbuļu veidošanos. Ultraskaņas elektrodu izmantošana elektrolīzē būtiski uzlabo elektrolītiskās attīrīšanas procesu.

Sonoelektrokoagulācija (ultraskaņas elektrokoagulācija)

Elektrokoagulācija ir notekūdeņu attīrīšanas metode tādu piesārņotāju atdalīšanai kā emulģēta eļļa, kopējie naftas ogļūdeņraži, grūti noārdāmas organiskās vielas, suspendētās cietās daļiņas un smagie metāli. Attīrot ūdeni, var atdalīt arī radioaktīvos jonus. Ultraskaņas pievienošana elektrokoagulācijai, ko dēvē arī par sonoelektrokoagulāciju, pozitīvi ietekmē ķīmiskā skābekļa patēriņa vai duļķainības samazināšanas efektivitāti. Kombinētie attīrīšanas procesi, kuros izmanto elektrokoagulāciju, ir uzrādījuši ievērojami labākus rezultātus piesārņotāju atdalīšanā no rūpnieciskajiem notekūdeņiem. Brīvos radikāļus veidojoša posma, piemēram, ultraskaņas kavitācijas, apvienošana ar elektrokoagulāciju rada sinerģiju un uzlabo kopējo attīrīšanas procesu. Šo ultraskaņas un elektrolīzes hibrīdsistēmu izmantošanas mērķis ir palielināt kopējo attīrīšanas efektivitāti un novērst tradicionālo attīrīšanas procesu trūkumus. Ir pierādīts, ka hibrīdie ultraskaņas un elektrokoagulācijas reaktori inaktivē Escherichia coli ūdenī.

Ultraskaņas ierīce UIP2000hdT (2000 vati, 20kHz) kā sonokatods un/vai sonoanods tvertnē

Reaģentu vai reaģējošo vielu sonoelektrolītiska iegūšana uz vietas

Daudzos ķīmiskajos procesos, piemēram, heterogēnajās reakcijās vai katalīzē, ultraskaņas izraisīta maisīšana un ultraskaņas kavitācija sniedz priekšrocības. Sonoķīmiskā iedarbība var palielināt reakcijas ātrumu vai uzlabot pārveides iznākumu.
Ar ultraskaņu svārstīti elektrodi nodrošina jaunu, jaudīgu rīku ķīmisko reakciju veikšanai. Tagad varat apvienot sonoķīmijas priekšrocības ar elektrolīzi. Iegūstiet ūdeņradi, hidroksīdjonus, hipohlorītu un daudzus citus jonus vai neitrālas vielas tieši ultraskaņas kavitācijas laukā. Elektrolīzes produkti ķīmiskajā reakcijā var darboties kā reaģenti vai reaģējošās vielas.

Ultraskaņas apvienošana ar impulsu elektrisko lauku

Impulsu elektriskā lauka (PEF) un ultraskaņas (US) kombinācija pozitīvi ietekmē fizikāli ķīmisko, bioaktīvo savienojumu ekstrakciju un ekstraktu ķīmisko struktūru. Mandeļu ekstrakcijā kombinētā apstrāde (PEF–US) ir nodrošinājusi visaugstāko kopējo fenolu, kopējo flavonoīdu, kondensēto tanīnu un antocianīnu saturu un visaugstāko antioksidatīvo aktivitāti. Tā samazināja jaudu un metālu helatēšanas aktivitāti.
Ultraskaņu (US) un impulsu elektrisko lauku (PEF) var izmantot, lai palielinātu procesa efektivitāti un ražošanas ātrumu fermentācijas procesos, uzlabojot masas pārnesi un šūnu caurlaidību.
Impulsu elektriskā lauka un ultraskaņas apstrādes kombinācija ietekmē žāvēšanas gaisā kinētiku un žāvētu dārzeņu, piemēram, burkānu, kvalitāti. Žāvēšanas laiku var samazināt par 20 līdz 40%, saglabājot rehidratācijas īpašības.

Sonoelektroķīmija / ultraskaņas elektroķīmija

Pievienojiet ar ultraskaņu pastiprinātu elektrolīzi, lai iegūtu reaģējošās vielas vai patērētu ķīmisko reakciju produktus un tādējādi nobīdītu ķīmiskās reakcijas galīgo līdzsvaru vai mainītu ķīmiskās reakcijas norises ceļu.

Ieteicamais ultraskaņas elektrodu izvietojums

Zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīču novatoriskā konstrukcija pārvērš standarta ultraskaņas sonotrodi par elektrodu, kas vibrē ar ultraskaņas frekvenci. Tas padara ultraskaņas izmantošanu elektrodiem pieejamāku, atvieglo tās integrēšanu un ļauj viegli palielināt procesa mērogu līdz ražošanas līmenim. Citās konstrukcijās tika ierosinātas svārstības tikai elektrolītā starp diviem elektrodiem, kuros svārstības netika ierosinātas. Aizēnošana un ultraskaņas viļņu izplatīšanās raksturs dod sliktākus rezultātus nekā tieša svārstību ierosināšana elektrodā. Ultraskaņas vibrācijas var pievadīt attiecīgi anodiem vai katodiem. Protams, elektrodu spriegumu un polaritāti var mainīt jebkurā laikā. Hielscher Ultrasonics elektrodus ir viegli uzstādīt esošajās iekārtās.

Hermētiska sonoelektrolīzes šūna un elektroķīmiskie reaktori

Ir pieejams spiedienizturīgs blīvējums starp ultraskaņas sonotrodi (elektrodu) un reaktora tvertni. Tādēļ elektrolīzes šūnu var darbināt spiedienā, kas atšķiras no apkārtējās vides spiediena. Ultraskaņas un spiediena kombināciju sauc par manosonikāciju. Tas var būt noderīgi, ja elektrolīzē rodas gāzes, strādājot augstākā temperatūrā vai ar gaistošiem šķidruma komponentiem. Hermētiski noslēgts elektroķīmiskais reaktors var darboties spiedienā, kas ir augstāks vai zemāks par apkārtējās vides spiedienu. Blīvējumu starp ultraskaņas elektrodu un reaktoru var izgatavot elektriski vadošu vai izolējošu. Otrajā gadījumā reaktora sienas var izmantot kā otru elektrodu. Protams, reaktoram var būt ieplūdes un izplūdes pieslēgvietas, lai tas darbotos kā plūsmas šūnas reaktors nepārtrauktiem procesiem. Hielscher Ultrasonics piedāvā dažādus standartizētus reaktorus un plūsmas šūnas ar apvalku. Varat arī izvēlēties kādu no dažādiem adapteriem, lai pievienotu Hielscher sonotrodes savam elektroķīmiskajam reaktoram.

Koncentrisks izvietojums cauruļveida reaktorā

Ja elektrods, kurā ar ultraskaņu ierosinātas svārstības, atrodas otra elektroda tuvumā, kurā svārstības netiek ierosinātas, vai reaktora sienas tuvumā, ultraskaņas viļņi izplatās šķidrumā un iedarbojas arī uz citām virsmām. Elektrods, kurā ar ultraskaņu ierosinātas svārstības un kurš koncentriski izvietots caurulē vai reaktorā, var uzturēt iekšējās sienas tīras no apauguma vai uzkrātām cietvielām.

Temperatūra

Izmantojot standarta Hielscher sonotrodes kā elektrodus, elektrolīta temperatūra var būt no 0 līdz 80 Celsija grādiem. Sonotrodes citām elektrolīta temperatūrām diapazonā no -273 Celsija grādiem līdz 500 Celsija grādiem ir pieejamas pēc pieprasījuma. Ultraskaņas un temperatūras kombināciju sauc par termosonikāciju.

Viskozitāte

Ja elektrolīta viskozitāte kavē masas pārnesi, sajaukšana, elektrolīzes laikā ierosinot svārstības ar ultraskaņu, varētu būt noderīga, jo tā uzlabo vielas pārnesi uz elektrodiem un prom no tiem.

Sonoelektrolīze ar pulsējošu strāvu

Izmantojot pulsējošu strāvu elektrodiem, kuros ar ultraskaņu ierosinātas svārstības, rodas citādi produkti nekā līdzstrāvas (DC) gadījumā. Piemēram, pulsējoša strāva var palielināt pie anoda radušā ozona attiecību pret skābekli skāba ūdens šķīduma, piemēram, atšķaidītas sērskābes, elektrolīzē. Etanola elektrolīzē ar impulsu strāvu rodas aldehīds, nevis galvenokārt skābe.

Elektroķīmiskās apstrādes ar ultraskaņu iekārtas

Hielscher Ultrasonics izstrādāja īpašu sonoelektroķīmisku uzlabojumu rūpnieciskajiem pārveidotājiem. Uzlabotais pārveidotājs darbojas ar gandrīz visu veidu Hielscher sonotrodēm.

Ultraskaņas elektrodi (sonotrodes)

Sonotrodes ir elektriski izolētas no ultraskaņas ģeneratora. Tāpēc ultraskaņas sonotrodei var pievadīt elektrisko spriegumu, lai tā darbotos kā elektrods. Standarta elektriskās izolācijas sprauga starp sonotrodēm un zemējuma kontaktu ir 2,5 mm. Tāpēc sonotrodei varētu pievadīt līdz 2500 voltu spriegumu. Standarta sonotrodes ir masīvas un izgatavotas no titāna. Tāpēc elektroda strāvai gandrīz nav ierobežojumu. Titānam ir laba izturība pret koroziju daudzos sārmainos vai skābos elektrolītos. Ir iespējami arī citi sonotrožu materiāli, piemēram, alumīnijs (Al), tērauds (Fe), nerūsējošais tērauds, niķeļa, hroma un molibdēna sakausējums vai niobijs. Hielscher piedāvā ekonomiski izdevīgas upuranodu sonotrodes, piemēram, no alumīnija vai tērauda.

Ultraskaņas ģenerators, barošanas avots

Ultraskaņas ģeneratoram nav nepieciešamas nekādas modifikācijas, un tas izmanto standarta elektrības kontaktligzdu ar zemējumu. Pārveidotāja koncentrators un visas pārveidotāja un ģeneratora ārējās virsmas, protams, ir savienotas ar elektrības kontaktligzdas zemējumu. Sonotrode un stiprinājuma elements ir vienīgās detaļas, kurām tiek pievadīts elektroda spriegums. Tas atvieglo iekārtas konfigurācijas projektēšanu. Sonotrodi var pievienot līdzstrāvai (DC), pulsējošai līdzstrāvai vai maiņstrāvai (AC). Ultraskaņas elektrodus var izmantot attiecīgi kā anodus vai katodus.

Ražošanas iekārtas elektroapstrādes ar ultraskaņu procesiem

Var izmantot jebkuru Hielscher ultraskaņas ierīci, piemēram, UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT vai UIP4000hdT, lai jebkurai standarta sonotrodei vai kaskatrodei pievadītu līdz 4000 vatu ultraskaņas jaudu. Ultraskaņas intensitāte uz sonotrodes virsmas var būt no 1 vata līdz 100 vatiem uz kvadrātcentimetru. Ir pieejamas dažādas sonotrožu ģeometrijas ar amplitūdu no 1 mikrona līdz 150 mikroniem (no pīķa līdz pīķim). Ultraskaņas frekvence 20kHz ir ļoti efektīva kavitācijas un akustiskās plūsmas radīšanai elektrolītā. Hielscher ultraskaņas ierīces var darboties 24 stundas diennaktī, septiņas dienas nedēļā. Tās var darbināt nepārtraukti ar pilnu izejas jaudu vai impulsu režīmā, piemēram, periodiskai elektrodu tīrīšanai. Hielscher Ultrasonics var piegādāt ultraskaņas elektrodus ar ultraskaņas jaudu (mehānisko ierosmi) līdz 16 kilovatiem uz katru atsevišķo elektrodu. Elektrodiem pievadāmajai elektriskajai jaudai gandrīz nav ierobežojumu.

Vēl viena iespēja: sonoelektrostatiskā izsmidzināšana

Hielscher Ultrasonics ražo iekārtas šķidrumu izsmidzināšanai, miglošanai, smalkai izsmidzināšanai vai pārvēršanai aerosolos. Ultraskaņas izsmidzināšanas sonotrode var piešķirt šķidruma miglai vai aerosoliem pozitīvu lādiņu. Tādējādi ultraskaņas izsmidzināšana tiek apvienota ar elektrostatiskās izsmidzināšanas tehnoloģiju, piemēram, pārklājumu uzklāšanas procesos.

Literatūra / Atsauces

• 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.