Sonoelektroķīmija un tās priekšrocības

Šeit atradīsiet visu, kas jāzina par ultraskaņas elektroķīmiju (sonoelektroķīmiju): darbības principu, lietojumiem, priekšrocībām un sonoelektroķīmiskajām iekārtām – visu būtisko informāciju par sonoelektroķīmiju vienā lapā.

Kāpēc izmantot ultraskaņu elektroķīmijā?

Zemas frekvences, augstas intensitātes ultraskaņas viļņu apvienošana ar elektroķīmiskajām sistēmām sniedz daudzveidīgus ieguvumus, kas uzlabo elektroķīmisko reakciju efektivitāti un konversijas pakāpi.

Ultraskaņas darbības princips

Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādei ultraskaņas ģenerators rada augstas intensitātes, zemas frekvences ultraskaņu, ko ar ultraskaņas zondi (sonotrodi) ievada šķidrumā. Par lieljaudas ultraskaņu uzskata ultraskaņu 16–30kHz diapazonā. Ultraskaņas zonde izplešas un saraujas, piemēram, ar 20kHz frekvenci, tādējādi ievadot vidē attiecīgi 20 000 svārstību sekundē. Ultraskaņas viļņiem izplatoties šķidrumā, pārmaiņus augsta spiediena (saspiešanas) / zema spiediena (retinājuma vai izplešanās) cikli rada sīkus vakuuma burbuļus jeb dobumus, kas vairāku spiediena ciklu laikā palielinās. Šķidruma un burbuļu saspiešanas fāzē spiediens ir pozitīvs, savukārt retinājuma fāzē rodas vakuums (negatīvs spiediens). Saspiešanas un izplešanās ciklu laikā dobumi šķidrumā palielinās, līdz sasniedz izmēru, pie kura tie vairs nespēj absorbēt enerģiju. Šajā brīdī tie strauji sabrūk uz iekšu. Šo dobumu sabrukšana izraisa dažādus augstas enerģijas efektus, kas pazīstami kā akustiskās / ultraskaņas kavitācijas parādība. Akustiskajai kavitācijai raksturīgi daudzveidīgi augstas enerģijas efekti, kas ietekmē šķidrumus, cietas vielas/šķidruma sistēmas, kā arī gāzes/šķidruma sistēmas. Zonu ar augstu enerģijas blīvumu jeb kavitācijas zonu dēvē par tā saukto karsto punktu zonu; enerģijas blīvums tajā ir visaugstākais ultraskaņas zondes tiešā tuvumā un samazinās, palielinoties attālumam no sonotrodes. Ultraskaņas kavitācijas galvenās pazīmes ir lokāli sastopama ļoti augsta temperatūra un spiediens un to attiecīgās starpības, turbulence un šķidruma plūsma. Ultraskaņas kavitācijas dobumiem sabrūkot ultraskaņas karstajos punktos, var izmērīt temperatūru līdz 5000 kelviniem, spiedienu līdz 200 atmosfērām un šķidruma strūklu ātrumu līdz 1000km/h. Šie ārkārtējie apstākļi ar augstu enerģijas intensitāti veicina sonomehāniskos un sonoķīmiskos efektus, kas dažādos veidos intensificē elektroķīmiskās sistēmas.

Ultraskaņas ietekme uz elektroķīmiskajām sistēmām

Ultraskaņas izmantošana elektroķīmiskajās reakcijās ir pazīstama ar dažādu iedarbību uz elektrodiem, proti, anodu un katodu, kā arī uz elektrolīta šķīdumu. Ultraskaņas kavitācija un akustiskā plūsma reakcijas šķidrumā rada ievērojamas mikrokustības, triecienveida šķidruma strūklas un maisīšanu. Tas uzlabo šķidrās un cietās fāzes maisījuma hidrodinamiku un kustību. Ultraskaņas kavitācija samazina difūzijas slāņa efektīvo biezumu pie elektroda. Samazināts difūzijas slānis nozīmē, ka apstrāde ar ultraskaņu samazina koncentrācijas starpību, proti, ultraskaņa veicina koncentrācijas izlīdzināšanos starp elektroda tuvumā esošo šķīdumu un šķīduma pamattilpumu. Ultraskaņas izraisītās maisīšanas ietekme uz koncentrācijas gradientiem reakcijas laikā nodrošina nepārtrauktu svaiga šķīduma pievadīšanu elektrodam un izreaģējušā materiāla aizvadīšanu. Tas nozīmē, ka apstrāde ar ultraskaņu uzlabo kopējo kinētiku, paātrinot reakciju un palielinot reakcijas produktu iznākumu.
Ievadot sistēmā ultraskaņas enerģiju un sonoķīmiski veidojot brīvos radikāļus, var ierosināt elektroķīmisku reakciju, kas citādi būtu elektroķīmiski neaktīva. Vēl viena svarīga akustisko svārstību un plūsmas ietekme ir elektrodu virsmu attīrīšana. Pasivējošie slāņi un piesārņojuma nogulsnes uz elektrodiem ierobežo elektroķīmisko reakciju efektivitāti un ātrumu. Apstrāde ar ultraskaņu pastāvīgi uztur elektrodus tīrus un pilnībā aktīvus reakcijai. Apstrāde ar ultraskaņu ir labi pazīstama ar savu degazējošo iedarbību, kas ir noderīga arī elektroķīmiskajās reakcijās. Izvadot no šķidruma nevēlamās gāzes, reakcija var noritēt efektīvāk.

Sonoelektroķīmijas lietojumi

Sonoelektroķīmiju var izmantot dažādos procesos un dažādās nozarēs. Ļoti izplatīti sonoelektroķīmijas lietojumi ir šādi:

• Nanodaļiņu sintēze (elektrosintēze)
• Ūdeņraža sintēze
• Elektrokoagulācija
• Notekūdeņu attīrīšana
• Emulsiju sadalīšana
• Galvanisko pārklājumu veidošana / elektrolītiskā izgulsnēšana
• Omiskā sildīšana

Nanodaļiņu sonoelektroķīmiskā sintēze

Apstrāde ar ultraskaņu ir veiksmīgi izmantota dažādu nanodaļiņu sintēzei elektroķīmiskā sistēmā. Izmantojot sonoelektroķīmiju, ir veiksmīgi iegūts magnetīts, kadmija–selēna (CdSe) nanocaurulītes, platīna nanodaļiņas (NPs), zelta NPs, metālisks magnijs, bismutēns, nanosudrabs, īpaši smalks varš, volframa–kobalta (W–Co) sakausējuma nanodaļiņas, samārija oksīda un reducēta grafēna oksīda nanokompozīts, ar poliakrilskābi pārklātas vara nanodaļiņas, kuru izmērs ir mazāks par 1nm, un daudzi citi nanoizmēra pulveri.
Sonoelektroķīmiskās nanodaļiņu sintēzes priekšrocības ietver

• atteikšanos no reducētāju un virsmaktīvo vielu izmantošanas
• ūdens izmantošanu par šķīdinātāju
• nanodaļiņu izmēra pielāgošanu, mainot parametrus (ultraskaņas jaudu, strāvas blīvumu, izgulsnēšanas potenciālu un ultraskaņas impulsu ilgumu attiecībā pret elektroķīmisko impulsu ilgumu)

Ashasssi-Sorkhabi un Bagheri (2014) sonoelektroķīmiski sintezēja polipirola plēves un salīdzināja rezultātus ar elektroķīmiski sintezētām polipirola plēvēm. Rezultāti liecina, ka galvanostatiskā sonoelektroizgulsnēšana uz tērauda radīja stingri pieguļošu un gludu polipirola (PPy) plēvi pie strāvas blīvuma 4 mA cm–2 šķīdumā, kas saturēja 0,1 M skābeņskābes un 0,1 M pirola. Izmantojot sonoelektroķīmisko polimerizāciju, viņi ieguva augstas pretestības un sīkstas PPy plēves ar gludu virsmu. Ir pierādīts, ka sonoelektroķīmiski iegūti PPy pārklājumi nodrošina būtisku St-12 tērauda aizsardzību pret koroziju. Sintezētais pārklājums bija viendabīgs un uzrādīja augstu korozijizturību. Visi šie rezultāti var būt saistīti ar to, ka ultraskaņa uzlaboja reaģentu masas pārnesi un nodrošināja lielu ķīmisko reakciju ātrumu, pateicoties akustiskajai kavitācijai un tās radītajai augstajai temperatūrai un spiedienam. Impedances datu derīgums St-12 tērauda/divu PPy pārklājumu/korozīvas vides robežvirsmai tika pārbaudīts, izmantojot KK transformācijas, un tika novērotas zemas vidējās kļūdas.

Hass un Gedanken (2008) ziņoja par veiksmīgu metāliskā magnija nanodaļiņu sonoelektroķīmisko sintēzi. Gringard reaģenta sonoelektroķīmiskā procesa efektivitāte tetrahidrofurānā (THF) vai dibutildiglīma šķīdumā bija attiecīgi 41,35% un 33,08%. AlCl3 pievienošana Gringard šķīdumam krasi palielināja efektivitāti, paaugstinot to līdz 82,70% THF un 51,69% dibutildiglīmā.

Sonoelektroķīmiskā ūdeņraža ražošana

Ar ultraskaņu veicināta elektrolīze ievērojami palielina ūdeņraža iznākumu no ūdens vai sārmainiem šķīdumiem. Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par ultraskaņas paātrinātu elektrolītisko ūdeņraža sintēzi!

Ar ultraskaņu veicināta elektrokoagulācija

Zemfrekvences ultraskaņas izmantošanu elektrokoagulācijas sistēmās sauc par sonoelektrokoagulāciju. Pētījumi liecina, ka apstrāde ar ultraskaņu pozitīvi ietekmē elektrokoagulāciju, piemēram, paaugstinot dzelzs hidroksīdu atdalīšanas efektivitāti no notekūdeņiem. Ultraskaņas pozitīvā ietekme uz elektrokoagulāciju ir izskaidrojama ar elektrodu pasivācijas samazināšanos. Zemfrekvences augstas intensitātes ultraskaņa sagrauj nogulsnēto cieto slāni un efektīvi to atdala, tādējādi nepārtraukti uzturot elektrodus pilnībā aktīvus. Turklāt ultraskaņa aktivizē abus jonu veidus, proti, katjonus un anjonus, kas atrodas elektrodu reakcijas zonā. Ultraskaņas izraisītā maisīšana rada intensīvu šķīduma mikrokustību, pievadot izejvielas elektrodiem un aizvadot produktus no tiem.
Veiksmīgu sonoelektrokoagulācijas procesu piemēri ir Cr(VI) reducēšana līdz Cr(III) farmācijas notekūdeņos, kopējā fosfora atdalīšana no smalkās ķīmijas rūpniecības notekūdeņiem, sasniedzot 99,5% fosfora atdalīšanas efektivitāti 10 min. laikā, krāsainības un ķīmiskā skābekļa patēriņa (ĶSP) samazināšana celulozes un papīra rūpniecības notekūdeņos utt. Ziņotā krāsainības, ĶSP, Cr(VI), Cu(II) un P samazināšanas efektivitāte bija attiecīgi 100%, 95%, 100%, 97,3% un 99,84%. (sal. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Piesārņotāju sonoelektroķīmiskā noārdīšana

Ar ultraskaņu veicinātas elektroķīmiskās oksidēšanās un/vai reducēšanās reakcijas izmanto kā efektīvu metodi ķīmisko piesārņotāju noārdīšanai. Sonomehāniskie un sonoķīmiskie mehānismi veicina piesārņotāju elektroķīmisko noārdīšanos. Ultraskaņas radītā kavitācija izraisa intensīvu maisīšanu, mikrosajaukšanos, masas pārnesi un pasivējošo slāņu noņemšanu no elektrodiem. Šī kavitācijas iedarbība galvenokārt uzlabo masas pārnesi starp cieto un šķidro fāzi – starp elektrodiem un šķīdumu. Sonoķīmiskā iedarbība tieši ietekmē molekulas. Molekulu homolītiskā šķelšanās rada ļoti reaģētspējīgus oksidētājus. Ūdens vidē un skābekļa klātbūtnē rodas tādi radikāļi kā HO•, HO2• un O•. Ir zināms, ka •OH radikāļiem ir būtiska nozīme organisko vielu efektīvā sadalīšanā. Kopumā sonoelektroķīmiskā noārdīšana ir ļoti efektīva un piemērota lielu notekūdeņu plūsmu apjomu un citu piesārņotu šķidrumu apstrādei.
Piemēram, Lllanos un līdzautori (2016) konstatēja būtisku sinerģisku ietekmi uz ūdens dezinfekciju, kad elektroķīmiskās sistēmas darbību pastiprināja ar apstrādi ar ultraskaņu (sonoelektroķīmiskā dezinfekcija). Tika konstatēts, ka šis dezinfekcijas ātruma pieaugums ir saistīts ar E. coli šūnu aglomerātu veidošanās nomākšanu, kā arī pastiprinātu dezinficējošo daļiņu veidošanos. Esclapez un līdzautori (2010) parādīja, ka, palielinot trihloretiķskābes (TCAA) noārdīšanas procesa mērogu, tika izmantots īpaši izstrādāts sonoelektroķīmiskais reaktors (kas gan nebija optimizēts), un ar UIP1000hd radītā ultraskaņas lauka klātbūtne nodrošināja labākus rezultātus (konversijas pakāpe 97%, noārdīšanas efektivitāte 26%, selektivitāte 0,92 un strāvas iznākums 8%) pie zemākas ultraskaņas intensitātes un mazāka tilpuma plūsmas ātruma. Ņemot vērā, ka pirmsizmēģinājuma mēroga sonoelektroķīmiskais reaktors vēl nebija optimizēts, ir ļoti iespējams, ka šos rezultātus var vēl vairāk uzlabot.

Ultraskaņas voltammetrija un elektrolītiskā izgulsnēšana

Elektrolītiskā izgulsnēšana tika veikta galvanostatiskā režīmā pie strāvas blīvuma 15 mA/cm2. Pirms elektrolītiskās izgulsnēšanas šķīdumi tika apstrādāti ar ultraskaņu 5–60 minūtes. Hielscher UP200S ultraskaņas apstrādes ierīce ar zondi tika izmantota ar cikla laiku 0,5. Apstrāde ar ultraskaņu tika veikta, ultraskaņas zondi iegremdējot tieši šķīdumā. Lai novērtētu ultraskaņas ietekmi uz šķīdumu pirms elektrolītiskās izgulsnēšanas, tika izmantota cikliskā voltammetrija (CV), lai izpētītu šķīduma uzvedību un varētu paredzēt ideālus elektrolītiskās izgulsnēšanas apstākļus. Novērots, ka, šķīdumu pirms elektrolītiskās izgulsnēšanas apstrādājot ar ultraskaņu, izgulsnēšanās sākas pie mazāk negatīvām potenciāla vērtībām. Tas nozīmē, ka pie tādas pašas strāvas šķīdumā nepieciešams mazāks potenciāls, jo šķīdumā esošās daļiņas ir aktīvākas nekā šķīdumos, kas nav apstrādāti ar ultraskaņu. (sal. Yurdal & Karahan 2017)
Lasiet vairāk par ar nanomateriāliem uzlabotu pārklājumu sonoelektroķīmisko izgulsnēšanu!

Augstas veiktspējas elektroķīmiskās zondes un SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics ir jūsu partneris ar ilggadēju pieredzi augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmu jomā. Mēs ražojam un izplatām modernākās ultraskaņas zondes un reaktorus, kurus visā pasaulē izmanto intensīvas slodzes lietojumos sarežģītos vides apstākļos. Sonoelektroķīmijai Hielscher ir izstrādājis īpašas ultraskaņas zondes, kas var darboties kā katods un/vai anods, kā arī elektroķīmiskajām reakcijām piemērotas ultraskaņas reaktoru šūnas. Ultraskaņas elektrodi un šūnas ir pieejami gan galvaniskajām / voltaiskajām, gan elektrolītiskajām sistēmām.

Precīzi regulējamas amplitūdas optimāliem rezultātiem

Visi Hielscher ultraskaņas procesori ir precīzi vadāmi un tādējādi ir uzticami darba instrumenti pētniecībā, izstrādē un ražošanā. Amplitūda ir viens no būtiskākajiem procesa parametriem, kas ietekmē sonoķīmiski un sonomehāniski izraisītu reakciju efektivitāti un iedarbīgumu. Visi Hielscher Ultrasonics procesori ļauj precīzi iestatīt amplitūdu. Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori spēj nodrošināt ļoti lielas amplitūdas un nepieciešamo ultraskaņas intensitāti sarežģītiem sonoelektroķīmiskiem lietojumiem. Ar amplitūdu līdz 200µm var viegli un nepārtraukti strādāt 24/7 režīmā.
Precīza amplitūdas iestatīšana un pastāvīga ultraskaņas procesa parametru uzraudzība ar viedu programmatūru sniedz iespēju precīzi ietekmēt sonoelektroķīmisko reakciju. Katrā apstrādes reizē visi ultraskaņas parametri tiek automātiski reģistrēti iebūvētā SD kartē, lai katru apstrādes reizi varētu izvērtēt un kontrolēt. Optimāla apstrāde ar ultraskaņu visefektīvākajām sonoelektroķīmiskajām reakcijām!
Visas iekārtas ir paredzētas lietošanai 24/7/365 režīmā ar pilnu slodzi, un to izturība un uzticamība padara tās par uzticamiem darba instrumentiem jūsu elektroķīmiskajā procesā. Tādējādi Hielscher ultraskaņas iekārtas ir uzticami darba instrumenti, kas atbilst jūsu sonoelektroķīmiskā procesa prasībām.

Visaugstākā kvalitāte – projektēts un ražots Vācijā

Hielscher ir ģimenes īpašumā esošs un ģimenes vadīts uzņēmums, kura prioritāte ir visaugstākie kvalitātes standarti tā ultraskaņas procesoriem. Visas ultraskaņas iekārtas tiek projektētas, ražotas un rūpīgi pārbaudītas mūsu galvenajā mītnē Teltovā, netālu no Berlīnes, Vācijā. Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība un uzticamība padara tās par uzticamiem darba instrumentiem jūsu ražošanā. Darbība 24/7 režīmā ar pilnu slodzi un sarežģītos vides apstākļos ir Hielscher augstas veiktspējas ultraskaņas zonžu un reaktoru neatņemama īpašība.

Sazinieties ar mums tagad un pastāstiet par sava elektroķīmiskā procesa prasībām! Mēs ieteiksim jums vispiemērotākos ultraskaņas elektrodus un reaktora konfigurāciju!