Sono-elektrochemie en de voordelen ervan

Hier vind je alles wat je moet weten over ultrasone elektrochemie (sono-elektrochemie): werkingsprincipe, toepassingen, voordelen en sono-elektrochemische apparatuur – alle relevante informatie over sono-elektrochemie op één pagina.

Waarom ultrasone trillingen toepassen in de elektrochemie?

De combinatie van ultrasone golven met een lage frequentie en hoge intensiteit met elektrochemische systemen heeft vele voordelen die de efficiëntie en omzettingssnelheid van elektrochemische reacties verbeteren.

Het werkingsprincipe van ultrasoon

Voor ultrasone verwerking met hoge prestaties wordt ultrageluid met hoge intensiteit en lage frequentie gegenereerd door een ultrageluidgenerator en via een ultrasone sonde (sonotrode) in een vloeistof overgebracht. Ultrasoon geluid met een hoog vermogen wordt beschouwd als ultrasoon geluid in het bereik van 16-30 kHz. De ultrasone sonde zet uit en krimpt bijvoorbeeld bij 20 kHz, waardoor respectievelijk 20.000 trillingen per seconde in het medium worden overgebracht. Wanneer de ultrasone golven door de vloeistof bewegen, ontstaan er door afwisselend hoge-druk (compressie) / lage-druk (rarefactie of expansie) cycli minuscule vacuümbelletjes of holtes, die gedurende meerdere drukcycli groeien. Tijdens de compressiefase van de vloeistof en de bellen is de druk positief, terwijl de rarefactiefase een vacuüm (negatieve druk) produceert. Tijdens de compressie-expansiecycli groeien de holtes in de vloeistof totdat ze een omvang bereiken waarbij ze niet meer energie kunnen absorberen. Op dat moment imploderen ze heftig. Het imploderen van deze holtes resulteert in verschillende zeer energetische effecten die bekend staan als het fenomeen van akoestische / ultrasone cavitatie. Akoestische cavitatie wordt gekenmerkt door verschillende hoogenergetische effecten die invloed hebben op vloeistoffen, vaste stof/vloeistof-systemen en gas/vloeistof-systemen. De energiedichte zone of cavitatiezone staat bekend als de zogenaamde hotspotzone, die het meest energiedicht is in de nabijheid van de ultrasone sonde en afneemt met toenemende afstand van de sonotrode. De belangrijkste kenmerken van ultrasone cavitatie zijn plaatselijk optredende zeer hoge temperaturen en drukken en bijbehorende verschillen, turbulenties en vloeistofstroming. Tijdens de implosie van ultrasone holtes in ultrasone hot-spots kunnen temperaturen tot 5000 Kelvin, drukken tot 200 atmosfeer en vloeistofstralen tot 1000 km/u gemeten worden. Deze buitengewone energie-intensieve omstandigheden dragen bij aan sonomechanische en sonochemische effecten die elektrochemische systemen op verschillende manieren intensiveren.

De effecten van ultrasoon op elektrochemische systemen

De toepassing van ultrasoon geluid op elektrochemische reacties is bekend om verschillende effecten op de elektroden, d.w.z. de anode en kathode, en op de elektrolytische oplossing. Ultrasone cavitatie en akoestische stroming genereren aanzienlijke microbewegingen, waardoor vloeistofstralen en agitatie in de reactievloeistof terechtkomen. Dit resulteert in een verbeterde hydrodynamica en beweging van het vloeistof/vast mengsel. Ultrasone cavitatie vermindert de effectieve dikte van de diffusielaag bij een elektrode. Een gereduceerde diffusielaag betekent dat sonificatie het concentratieverschil minimaliseert, wat betekent dat de convergentie van de concentratie in de buurt van een elektrode en de concentratiewaarde in de bulkoplossing ultrasoon worden bevorderd. De invloed van ultrasone agitatie op de concentratiegradiënten tijdens de reactie zorgt voor de permanente toevoer van verse oplossing naar de elektrode en de afvoer van gereageerd materiaal. Dit betekent dat sonicatie de algehele kinetiek verbetert, waardoor de reactiesnelheid versnelt en de reactieopbrengst toeneemt.
Door de introductie van ultrasone energie in het systeem en de sonochemische vorming van vrije radicalen kunnen elektrochemische reacties op gang worden gebracht die anders elektro-inactief zouden zijn geweest. Een ander belangrijk effect van akoestische trillingen en stromingen is het reinigende effect op de elektrodeoppervlakken. Passiveerlagen en vervuiling op de elektroden beperken de efficiëntie en reactiesnelheid van elektrochemische reacties. Ultrasoonbehandeling houdt de elektroden permanent schoon en volledig actief voor reacties.Ultrasoonbehandeling staat bekend om zijn ontgassingseffecten, die ook gunstig zijn bij elektrochemische reacties. Door ongewenste gassen uit de vloeistof te verwijderen, kan de reactie efficiënter verlopen.

Toepassingen van Sono-elektrochemie

Sono-elektrochemie kan worden toegepast op diverse processen en in verschillende industrieën. Veelvoorkomende toepassingen van sono-elektrochemie zijn onder andere de volgende:

• Synthese van nanodeeltjes (elektrosynthese)
• waterstofsynthese
• elektrocoagulatie
• Behandeling van afvalwater
• Emulsies breken
• Galvanisch/elektrodepositie

Sono-elektrochemische synthese van nanodeeltjes

Ultrasoon werd met succes toegepast om verschillende nanodeeltjes te synthetiseren in een elektrochemisch systeem. Magnetiet, cadmium-selenium (CdSe) nanobuisjes, platina nanodeeltjes (NP's), goud NP's, metallisch magnesium, bismuteen, nanozilver, ultrafijn koper, wolfraam-kobalt (W-Co) legering nanodeeltjes, samaria/gereduceerde grafeenoxide nanocomposiet, sub-1nm poly(acrylzuur)-omhulde koperen nanodeeltjes en vele andere poeders van nanoformaat zijn succesvol geproduceerd met behulp van sono-elektrochemie.
Voordelen van de sono-elektrochemische nanodeeltjes synthese zijn onder andere de

• vermijden van reductiemiddelen en oppervlakteactieve stoffen
• gebruik van water als oplosmiddel
• aanpassing van de grootte van de nanodeeltjes door parameters te variëren (ultrasoon vermogen, stroomdichtheid, depositiepotentiaal en de ultrasone vs elektrochemische pulstijden)

Ashasssi-Sorkhabi en Bagheri (2014) synthetiseerden polypyrrolfilms sono-elektrochemisch en vergeleken de resultaten met elektrochemisch gesynthetiseerde polypyrrolfilms. De resultaten laten zien dat de galvanostatische sono-elektrodepositie een sterk hechtende en gladde polypyrrool (PPy) film op staal produceerde, met een stroomdichtheid van 4 mA cm-2 in 0,1 M oxaalzuur/0,1 M pyrrool oplossing. Met behulp van sono-elektrochemische polymerisatie verkregen ze sterke en taaie PPy-films met een glad oppervlak. Er werd aangetoond dat PPy-coatings bereid door middel van sono-elektrochemie aanzienlijke corrosiebescherming bieden aan St-12 staal. De gesynthetiseerde coating was uniform en vertoonde een hoge corrosieweerstand. Al deze resultaten kunnen worden toegeschreven aan het feit dat het ultrageluid de massaoverdracht van de reactanten versterkte en hoge chemische reactiesnelheden veroorzaakte via akoestische cavitatie en de resulterende hoge temperaturen en drukken. De geldigheid van impedantiegegevens voor de interface St-12 staal/twee PPy-coatings/corrosieve media werd gecontroleerd met behulp van de KK-transformaties en er werden lage gemiddelde fouten waargenomen.

Hass en Gedanken (2008) rapporteerden de succesvolle sono-elektrochemische synthese van metallische magnesium nanodeeltjes. De efficiëntie in het sono-elektrochemische proces van het Gringard-reagens in tetrahydrofuraan (THF) of in een dibutyldiglymeoplossing was respectievelijk 41,35% en 33,08%. Toevoeging van AlCl3 aan de Gringard-oplossing verhoogde de efficiëntie dramatisch tot 82,70% en 51,69% in respectievelijk THF of dibutyldiglyme.

Sono-elektrochemische waterstofproductie

Ultrasoon gestimuleerde elektrolyse verhoogt de waterstofopbrengst uit water of alkalische oplossingen aanzienlijk. Klik hier om meer te lezen over de ultrasoon versnelde elektrolytische waterstofsynthese!

Ultrasoon ondersteunde elektrocoagulatie

De toepassing van laagfrequent ultrageluid op elektrocoagulatiesystemen staat bekend als sono-elektrocoagulatie. Studies tonen aan dat sonificatie de elektrocoagulatie positief beïnvloedt, wat bijvoorbeeld resulteert in een hogere verwijderingsefficiëntie van ijzerhydroxiden uit afvalwater. De positieve invloed van ultrasoon op elektrocoagulatie wordt verklaard door de reductie van elektrode passivering. Ultrasoon geluid met een lage frequentie en hoge intensiteit vernietigt afgezette vaste laag en verwijdert deze efficiënt, waardoor de elektroden continu volledig actief blijven. Bovendien activeert ultrasoon geluid beide soorten ionen, d.w.z. kationen en anionen, die aanwezig zijn in de reactiezone van de elektroden. Ultrasone agitatie resulteert in een grote microbeweging van de oplossing die grondstoffen en producten van en naar de elektroden voert en afvoert.
Voorbeelden van succesvolle sono-elektrocoagulatieprocessen zijn de reductie van Cr(VI) tot Cr(III) in farmaceutisch afvalwater, de verwijdering van totaal fosfor uit afvalwater van de fijnchemische industrie met een fosforverwijderingsefficiëntie van 99,5% binnen 10 minuten, kleur- en COD-verwijdering uit afvalwater van de pulp- en papierindustrie etc. De gerapporteerde verwijderingsrendementen voor kleur, COD, Cr(VI), Cu(II) en P waren respectievelijk 100%, 95%, 100%, 97,3% en 99,84%. (Vgl. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-elektrochemische afbraak van verontreinigende stoffen

Ultrasonisch gestimuleerde elektrochemische oxidatie- en/of reductiereacties worden toegepast als krachtige methode om chemische verontreinigende stoffen af te breken. Sonomechanische en sonochemische mechanismen bevorderen de elektrochemische afbraak van verontreinigende stoffen. Ultrasoon gegenereerde cavitatie resulteert in intense agitatie, micro-menging, massaoverdracht en de verwijdering van passiverende lagen van de elektroden. Deze cavitatie-effecten resulteren voornamelijk in een verbetering van de vast-vloeistof massatransfer tussen de elektroden en de oplossing. Sonochemische effecten hebben een directe invloed op moleculen. Homolytische splitsing van moleculen creëert zeer reactieve oxidanten. In waterige media en in aanwezigheid van zuurstof worden radicalen zoals HO-, HO2- en O- geproduceerd. Van -OH radicalen is bekend dat ze belangrijk zijn voor de efficiënte ontleding van organische materialen. In het algemeen vertoont sono-elektrochemische afbraak een hoge efficiëntie en is het geschikt voor de behandeling van grote volumes afvalwaterstromen en andere vervuilde vloeistoffen.
Lllanos et al. (2016) ontdekten bijvoorbeeld dat er een aanzienlijk synergetisch effect werd verkregen voor de desinfectie van water wanneer het elektrochemische systeem werd versterkt door sonicatie (sono-elektrochemische desinfectie). Deze toename van de desinfectiesnelheid bleek verband te houden met de onderdrukking van E. coli-celagglomeraten en een verhoogde productie van desinfecterende stoffen. Esclapez et al. (2010) toonden aan dat een specifiek ontworpen sono-elektrochemische reactor (echter niet geoptimaliseerd) werd gebruikt tijdens het opschalen van de afbraak van trichloorazijnzuur (TCAA), waarbij de aanwezigheid van een ultrasoon veld gegenereerd met de UIP1000hd betere resultaten opleverde (fractionele conversie 97%, afbraakrendement 26%, selectiviteit 0,92 en stroomrendement 8%) bij lagere ultrasone intensiteiten en volumestromen. Gezien het feit dat de pre-pilot sono-elektrochemische reactor nog niet geoptimaliseerd was, is het zeer waarschijnlijk dat deze resultaten nog verder verbeterd kunnen worden.

Ultrasone voltammetrie en elektrodepositie

Elektrodepositie werd galvanostatisch uitgevoerd bij een stroomdichtheid van 15 mA/cm2. De oplossingen werden vóór de elektrodepositie 5-60 minuten aan ultrasoonbehandeling onderworpen. Een Hielscher UP200S ultrasone sonde werd gebruikt met een cyclustijd van 0,5. Ultrasoonbehandeling werd bereikt door de ultrasone sonde direct in de oplossing te dompelen. Om de ultrasone invloed op de oplossing vóór de elektrodepositie te evalueren, werd cyclische voltammetrie (CV) gebruikt om het gedrag van de oplossing te onthullen en de ideale omstandigheden voor elektrodepositie te voorspellen. Er wordt waargenomen dat wanneer de oplossing wordt onderworpen aan ultrasoonbehandeling vóór de elektrodepositie, de depositie begint bij minder negatieve potentiaalwaarden. Dit betekent dat bij dezelfde stroom in de oplossing minder potentiaal nodig is, omdat de soorten in de oplossing zich actiever gedragen dan in niet-ultrasoon behandelde oplossingen. (Zie Yurdal & Karahan 2017)

Elektrochemische sondes en Sono-elektro-reactoren met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics is uw ervaren partner voor hoogwaardige ultrasone systemen. Wij produceren en distribueren ultramoderne ultrasone sondes en reactoren, die wereldwijd worden gebruikt voor zware toepassingen in veeleisende omgevingen. Voor sono-elektrochemie heeft Hielscher speciale ultrasone sondes ontwikkeld die als kathode en/of anode kunnen fungeren, evenals ultrasone reactorcellen die geschikt zijn voor elektrochemische reacties. Ultrasone elektroden en cellen zijn beschikbaar voor zowel galvanische/voltaïsche als elektrolytische systemen.

Nauwkeurig regelbare amplitudes voor optimale resultaten

Alle Hielscher ultrasoonprocessoren zijn nauwkeurig regelbare en daardoor betrouwbare werkpaarden in R&D en productie. De amplitude is een van de cruciale procesparameters die de efficiëntie en effectiviteit van sonochemisch en sonomechanisch geïnduceerde reacties beïnvloeden. Alle Hielscher Ultrasone systemen’ processors kunnen de amplitude nauwkeurig worden ingesteld. De industriële ultrasoonprocessoren van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren en de vereiste ultrasone intensiteit leveren voor veeleisende sono-elektrochamische toepassingen. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf.
Nauwkeurige amplitude-instellingen en de permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software geven je de mogelijkheid om de sono-elektrochemische reactie nauwkeurig te beïnvloeden. Tijdens elke sonicatierun worden alle ultrasone parameters automatisch opgeslagen op een ingebouwde SD-kaart, zodat elke run kan worden geëvalueerd en gecontroleerd. Optimale sonicatie voor de meest efficiënte sono-elektrochemische reacties!
Alle apparatuur is gebouwd voor 24/7/365 gebruik onder volledige belasting en de robuustheid en betrouwbaarheid maken het tot het werkpaard in uw elektrochemische proces. Dit maakt Hielscher's ultrasoonapparatuur tot een betrouwbaar werkinstrument dat voldoet aan uw eisen voor sono-elektrochemische processen.

Hoogste kwaliteit – Ontworpen en geproduceerd in Duitsland

Als familiebedrijf geeft Hielscher de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasoonprocessoren. Alle ultrasoonapparaten worden ontworpen, geproduceerd en grondig getest in ons hoofdkantoor in Teltow bij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur maken het tot een werkpaard in uw productie. 24/7 werking onder volle belasting en in veeleisende omgevingen is een natuurlijke eigenschap van Hielscher's hoogwaardige ultrasoonsondes en reactoren.

Neem nu contact met ons op en vertel ons over uw vereisten voor elektrochemische processen! Wij zullen u de meest geschikte ultrasone elektroden en reactoropstelling aanbevelen!