Elektrosonicatie – Ultrasone elektroden

Elektrosonicatie is de combinatie van de effecten van elektriciteit met de effecten van sonicatie. Hielscher Ultrasonics heeft een nieuwe en elegante methode ontwikkeld om elke sonotrode als elektrode te gebruiken. Hierdoor wordt het vermogen van ultrageluid rechtstreeks ingezet op het grensvlak tussen de ultrasone elektrode en de vloeistof. Daar kan het elektrolyse bevorderen, de massaoverdracht verbeteren en grenslagen of afzettingen afbreken. Hielscher levert apparatuur van productiekwaliteit voor elektrosonicatieprocessen in batch- en inlineprocessen op elke schaal. U kunt elektrosonicatie combineren met manosonicatie (druk) en thermosonicatie (temperatuur).

Toepassingen van ultrasone elektroden

De toepassing van ultrageluid op elektroden is een nieuwe technologie met voordelen voor veel verschillende processen op het gebied van elektrolyse, galvaniseren, elektrozuivering, waterstofproductie en elektrocoagulatie, deeltjessynthese of andere elektrochemische reacties. Hielscher Ultrasonics heeft ultrasone elektroden direct beschikbaar voor onderzoek en ontwikkeling bij elektrolyse op laboratorium- of pilotschaal. Nadat u uw elektrolytische proces hebt getest en geoptimaliseerd, kunt u ultrasone apparatuur op productieschaal van Hielscher Ultrasonics gebruiken om uw procesresultaten op te schalen naar industriële productieniveaus. Hieronder vindt u suggesties en aanbevelingen voor het gebruik van ultrasone elektroden.

Sono-elektrolyse (ultrasone elektrolyse)

Elektrolyse is de onderlinge omzetting van atomen en ionen door het verwijderen of toevoegen van elektronen als gevolg van het aanleggen van een elektrische stroom. De producten van elektrolyse kunnen een andere fysische toestand hebben dan de elektrolyt. Elektrolyse kan vaste stoffen produceren, zoals neerslagen of vaste lagen op elk van de elektroden. Elektrolyse kan ook gassen produceren, zoals waterstof, chloor of zuurstof. Ultrasone agitatie van een elektrode kan vaste afzettingen van het elektrodeoppervlak losmaken. Ultrasone ontgassing produceert snel grotere gasbellen uit opgeloste gassen van microbellen. Dit leidt tot een snellere scheiding van de gasvormige producten van de elektrolyt.

Ultrasone UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) als kathode en/of anode in een elektrolytische cel

Ultrasoon versterkte massaoverdracht aan het elektrodeoppervlak

Tijdens het elektrolyseproces hopen de producten zich op nabij de elektroden of op het elektrodeoppervlak. Ultrasone agitatie is een zeer effectief middel om de massaoverdracht bij grenslagen te verhogen. Dit effect brengt verse elektrolyt in contact met het elektrodeoppervlak. De stroming door cavitatie voert producten van de elektrolyse, zoals gassen of vaste stoffen, weg van het elektrodeoppervlak. De remmende vorming van isolerende lagen wordt daardoor voorkomen.

Effecten van ultrageluid op de ontledingspotentiaal

Ultrasone agitatie van de anode, de kathode of beide elektroden kan de ontledingspotentiaal of ontledingsspanning beïnvloeden. Het is bekend dat cavitatie op zichzelf moleculen kan afbreken en vrije radicalen of ozon kan produceren. De combinatie van cavitatie met elektrolyse in een ultrasoon versterkte elektrolyse kan de minimaal vereiste spanning tussen de anode en kathode van een elektrolytische cel beïnvloeden die nodig is om elektrolyse te laten plaatsvinden. De mechanische en sonochemische effecten van cavitatie kunnen ook de energie-efficiëntie van elektrolyse verbeteren.

Ultrageluid bij elektrolytische raffinage en elektrolytische winning

Bij elektrolytische raffinage kunnen vaste afzettingen van metalen, zoals koper, worden omgezet in een suspensie van vaste deeltjes in de elektrolyt. Bij elektrolytische winning, ook wel elektro-extractie genoemd, kan de elektrolytische afzetting van metalen uit hun ertsen worden omgezet in een vaste neerslag. Veelvoorkomende elektrolytisch gewonnen metalen zijn lood, koper, goud, zilver, zink, aluminium, chroom, kobalt, mangaan en de zeldzame aardmetalen en alkalimetalen.
Sonicatie is ook een effectief middel voor het uitlogen van ertsen.

Sono-elektrolytische zuivering van vloeistoffen

Zuiver een vloeistof, bijvoorbeeld een waterige oplossing zoals afvalwater, slib of iets dergelijks, door de oplossing door het elektrische veld van twee elektroden te leiden! Elektrolyse kan waterige oplossingen desinfecteren of zuiveren. Door een oplossing van NaCI samen met water door elektroden of over elektroden te voeren, ontstaat Cl2 of CIO2, dat verontreinigingen kan oxideren en het water of de waterige oplossingen kan desinfecteren. Als het water voldoende natuurlijke chloriden bevat, is toevoeging niet nodig.
Ultrasone trillingen van de elektrode kunnen de grenslaag tussen de elektrode en het water zo dun mogelijk maken. Dit kan de massaoverdracht met vele ordes van grootte verbeteren. De ultrasone trilling en cavitatie verminderen de vorming van microscopische bellen door polarisatie aanzienlijk. Het gebruik van ultrasone elektroden voor elektrolyse verbetert het elektrolytische zuiveringsproces aanzienlijk.

Sono-elektrocoagulatie (ultrasone elektrocoagulatie)

Elektrocoagulatie is een methode voor afvalwaterbehandeling waarmee verontreinigingen zoals geëmulgeerde olie, totale petroleumkoolwaterstoffen, moeilijk afbreekbare organische stoffen, zwevende vaste stoffen en zware metalen worden verwijderd. Ook kunnen radioactieve ionen worden verwijderd voor waterzuivering. Het toevoegen van sonicatie aan elektrocoagulatie, ook bekend als sono-elektrocoagulatie, heeft een positief effect op het chemisch zuurstofverbruik of op de efficiëntie van de troebelheidsverwijdering. Gecombineerde behandelingsprocessen met elektrocoagulatie hebben sterk verbeterde prestaties laten zien bij de verwijdering van verontreinigende stoffen uit industrieel afvalwater. De integratie van een stap die vrije radicalen produceert, zoals ultrasone cavitatie, met elektrocoagulatie laat synergie en verbeteringen in het totale zuiveringsproces zien. Het doel van het gebruik van deze ultrasoon-elektrolytische hybride systemen is de totale behandelingsefficiëntie te verhogen en de nadelen van conventionele behandelingsprocessen weg te nemen. Er is aangetoond dat hybride reactoren voor ultrasone elektrocoagulatie Escherichia coli in water inactiveren.

Ultrasone UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) als sono-kathode en/of sono-anode in een tank

Sono-elektrolytische productie van reagentia of reactanten in situ

Veel chemische processen, zoals heterogene reacties of katalyse, hebben baat bij ultrasone agitatie en ultrasone cavitatie. De sonochemische invloed kan de reactiesnelheid verhogen of de omzettingsopbrengsten verbeteren.
Ultrasoon geagiteerde elektroden voegen een nieuw, krachtig hulpmiddel toe aan chemische reacties. Nu kunt u de voordelen van sonochemie combineren met elektrolyse. Produceer waterstof, hydroxide-ionen, hypochloriet en vele andere ionen of neutrale stoffen rechtstreeks in het ultrasone cavitatieveld. De producten van elektrolyse kunnen als reagentia of als reactanten voor de chemische reactie dienen.

Combinatie van ultrageluid met een gepulseerd elektrisch veld

De combinatie van een gepulseerd elektrisch veld (PEF) en ultrageluid (US) heeft positieve effecten op de extractie van fysisch-chemische, bioactieve verbindingen en op de chemische structuur van extracten. Bij de extractie van amandelen heeft de gecombineerde behandeling (PEF–US) de hoogste gehalten aan totale fenolische verbindingen, totale flavonoïden, gecondenseerde tanninen en anthocyanen en de hoogste antioxidantactiviteit opgeleverd. Deze behandeling verminderde het vermogen en de metaalchelerende activiteit.
Ultrageluid (US) en een gepulseerd elektrisch veld (PEF) kunnen worden ingezet om de procesefficiëntie en productiesnelheden in fermentatieprocessen te verhogen door de massaoverdracht en celpermeabiliteit te verbeteren.
De combinatie van een gepulseerd elektrisch veld en ultrasone behandeling heeft invloed op de kinetiek van het drogen met lucht en op de kwaliteit van gedroogde groenten, zoals wortelen. De droogtijd kan met 20 tot 40% worden verkort, met behoud van de rehydratatie-eigenschappen.

Sono-elektrochemie / Ultrasone elektrochemie

Voeg ultrasoon versterkte elektrolyse toe om reactanten te produceren of producten van chemische reacties te verbruiken, om zo het uiteindelijke evenwicht van de chemische reactie te verschuiven of de chemische reactieroute te veranderen.

Voorgestelde opstelling van ultrasone elektroden

Het innovatieve ontwerp voor sonicators met een sonde verandert een standaard ultrasone sonotrode in een ultrasoon trillende elektrode. Dit maakt ultrageluid voor elektroden toegankelijker, eenvoudiger te integreren en gemakkelijk op te schalen naar productieniveaus. Andere ontwerpen agiteerden uitsluitend de elektrolyt tussen twee niet-geagiteerde elektroden. Afscherming en voortplantingspatronen van ultrasone golven leveren minder goede resultaten op dan directe agitatie van de elektrode. U kunt ultrasone trillingen toevoegen aan anoden of kathoden. Uiteraard kunt u de spanning en de polariteit van de elektroden op elk moment wijzigen. Elektroden van Hielscher Ultrasonics kunnen eenvoudig achteraf in bestaande opstellingen worden ingebouwd.

Afgedichte sono-elektrolytische cel en elektrochemische reactoren

Er is een drukdichte afdichting tussen de ultrasone sonotrode (elektrode) en een reactorvat beschikbaar. Daardoor kunt u de elektrolytische cel bij een andere druk dan de omgevingsdruk gebruiken. De combinatie van ultrageluid met druk wordt manosonicatie genoemd. Dit kan interessant zijn als de elektrolyse gassen produceert, als u bij hogere temperaturen werkt of als u met vluchtige vloeistofcomponenten werkt. Een goed afgedichte elektrochemische reactor kan bij een druk boven of onder de omgevingsdruk werken. De afdichting tussen de ultrasone elektrode en de reactor kan elektrisch geleidend of isolerend worden uitgevoerd. Met een isolerende afdichting kunnen de reactorwanden als tweede elektrode worden gebruikt. Uiteraard kan de reactor inlaat- en uitlaatpoorten hebben om als doorstroomcelreactor voor continue processen te dienen. Hielscher Ultrasonics biedt diverse gestandaardiseerde reactoren en doorstroomcellen met een mantel aan. U kunt ook kiezen uit een reeks adapters om sonotroden van Hielscher op uw elektrochemische reactor aan te sluiten.

Concentrische opstelling in een buisreactor

Als de ultrasoon geagiteerde elektrode zich nabij een tweede, niet-geagiteerde elektrode of nabij een reactorwand bevindt, planten de ultrasone golven zich door de vloeistof voort en werken ze ook op de andere oppervlakken in. Een ultrasoon geagiteerde elektrode die concentrisch in een buis of reactor is geplaatst, kan de binnenwanden vrijhouden van vervuiling of opgehoopte vaste stoffen.

Temperatuur

Bij gebruik van standaard sonotroden van Hielscher als elektroden kan de elektrolyttemperatuur tussen 0 en 80 graden Celsius liggen. Sonotroden voor andere elektrolyttemperaturen in het bereik van -273 graden Celsius tot 500 graden Celsius zijn op aanvraag verkrijgbaar. De combinatie van ultrageluid met temperatuur wordt thermosonicatie genoemd.

Viscositeit

Als de viscositeit van de elektrolyt de massaoverdracht belemmert, kan mengen door ultrasone agitatie tijdens elektrolyse gunstig zijn, omdat het de overdracht van materiaal naar en van de elektroden verbetert.

Sono-elektrolyse met pulserende stroom

Pulserende stroom op de ultrasoon geagiteerde elektroden levert andere producten op dan gelijkstroom (DC). Pulserende stroom kan bijvoorbeeld de verhouding van ozon tot zuurstof verhogen die aan de anode wordt geproduceerd tijdens de elektrolyse van een waterige zure oplossing, bijvoorbeeld verdund zwavelzuur. Elektrolyse van ethanol met gepulseerde stroom produceert een aldehyde in plaats van voornamelijk een zuur.

Apparatuur voor elektrosonicatie

Hielscher Ultrasonics heeft een speciale sono-elektrochemische upgrade voor de industriële transducers ontwikkeld. De aangepaste transducer werkt met vrijwel alle typen sonotroden van Hielscher.

Ultrasone elektroden (sonotroden)

De sonotroden zijn elektrisch geïsoleerd van de ultrasone generator. Daarom kunt u een elektrische spanning op de ultrasone sonotrode aansluiten, zodat de sonotrode als elektrode kan dienen. De standaard elektrische isolatieafstand tussen de sonotroden en het aardcontact is 2,5 mm. Daardoor zou u tot 2500 volt op de sonotrode kunnen aanleggen. Standaard sonotroden zijn massief en gemaakt van titanium. Daardoor is er vrijwel geen beperking aan de elektrodestroom. Titanium heeft een goede corrosiebestendigheid tegen veel alkalische of zure elektrolyten. Alternatieve sonotrodematerialen, zoals aluminium (Al), staal (Fe), roestvast staal, nikkel-chroom-molybdeen of niobium, zijn mogelijk. Hielscher biedt kosteneffectieve sonotroden die als opofferingsanode dienen, bijvoorbeeld van aluminium of staal.

Ultrasone generator, voeding

De ultrasone generator hoeft niet te worden aangepast en gebruikt een standaard geaard stopcontact. De hoorn van de transducer en alle buitenoppervlakken van de transducer en de generator zijn uiteraard verbonden met de aarde van het stopcontact. De sonotrode en een steunelement zijn de enige onderdelen die op de elektrodespanning zijn aangesloten. Dit vereenvoudigt het ontwerp van de opstelling. U kunt de sonotrode aansluiten op gelijkstroom (DC), pulserende gelijkstroom of wisselstroom (AC). Ultrasone elektroden kunnen als anoden of kathoden worden gebruikt.

Productieapparatuur voor elektrosonicatieprocessen

U kunt elk ultrasoon apparaat van Hielscher, zoals UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT of UIP4000hdT, gebruiken om tot 4000 watt ultrasoon vermogen te koppelen aan elke standaard sonotrode of cascatrode. De ultrasone oppervlakte-intensiteit op het sonotrodeoppervlak kan tussen 1 watt en 100 watt watt per vierkante centimeter liggen. Er zijn verschillende sonotrodegeometrieën beschikbaar met amplitudes van 1 micron tot 150 micron (piek-piek). De ultrasone frequentie van 20kHz is zeer effectief voor het opwekken van cavitatie en akoestische stroming in de elektrolyt. Ultrasone apparaten van Hielscher kunnen 24 uur per dag, zeven dagen per week werken. U kunt ze continu op vol vermogen laten werken of pulserend gebruiken, bijvoorbeeld voor periodieke reiniging van de elektroden. Hielscher Ultrasonics kan ultrasone elektroden leveren met tot 16 kilowatt ultrasoon vermogen (mechanische agitatie) per afzonderlijke elektrode. Er is vrijwel geen grens aan het elektrische vermogen dat u op de elektroden kunt aansluiten.

Nog iets: sono-elektrostatisch sproeien

Hielscher Ultrasonics maakt apparatuur voor het sproeien, vernevelen, verstuiven of aerosoleren van vloeistoffen. De ultrasone sproeisonotrode kan de vloeistofnevel of aerosolen een positieve lading geven. Dit combineert ultrasoon sproeien met elektrostatische sproeitechnologie, bijvoorbeeld voor coatingprocessen.

Literatuur / Referenties

• 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.