Sono-elektrochemie en de voordelen ervan

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

Waarom ultrasoon geluid toepassen in de elektrochemie?

De combinatie van laagfrequente ultrasone golven met hoge intensiteit en elektrochemische systemen biedt talrijke voordelen die de efficiëntie en de omzettingssnelheid van elektrochemische reacties verbeteren.

Het werkingsprincipe van ultrasoon geluid

Voor ultrasone verwerking met hoge prestaties wordt laagfrequent ultrasoon geluid met hoge intensiteit opgewekt door een ultrasone generator en via een ultrasone sonde (sonotrode) in een vloeistof overgebracht. Ultrasoon geluid met hoog vermogen wordt beschouwd als ultrasoon geluid in het bereik van 16–30kHz. De ultrasone sonde zet uit en trekt samen, bijvoorbeeld bij 20kHz, en brengt daarbij respectievelijk 20.000 trillingen per seconde over op het medium. Wanneer de ultrasone golven zich door de vloeistof voortplanten, creëren afwisselende cycli van hoge druk (compressie) / lage druk (verdunning of expansie) minuscule vacuümbellen of holtes, die gedurende meerdere drukcycli groeien. Tijdens de compressiefase van de vloeistof en de bellen is de druk positief, terwijl de verdunningsfase een vacuüm (negatieve druk) veroorzaakt. Tijdens de compressie-expansiecycli groeien de holtes in de vloeistof totdat ze een grootte bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen opnemen. Op dat moment imploderen ze heftig. De implosie van deze holtes veroorzaakt verschillende zeer energierijke effecten, die bekendstaan als het verschijnsel akoestische / ultrasone cavitatie. Akoestische cavitatie wordt gekenmerkt door talrijke zeer energierijke effecten die invloed hebben op vloeistoffen, vaste stof/vloeistofsystemen en gas/vloeistofsystemen. De zone met een hoge energiedichtheid, of cavitatiezone, staat bekend als de zogeheten hotspotzone. De energiedichtheid is het hoogst in de directe nabijheid van de ultrasone sonde en neemt af naarmate de afstand tot de sonotrode toeneemt. De belangrijkste kenmerken van ultrasone cavitatie zijn lokaal optredende zeer hoge temperaturen en drukken en de bijbehorende verschillen, turbulentie en vloeistofstroming. Tijdens de implosie van ultrasone holtes in ultrasone hotspots kunnen temperaturen tot 5000 Kelvin, drukken tot 200 atmosfeer en vloeistofstralen met snelheden tot 1000km/h worden gemeten. Deze uitzonderlijke, energie-intensieve omstandigheden dragen bij aan sonomechanische en sonochemische effecten die elektrochemische systemen op verschillende manieren intensiveren.

De effecten van ultrasoon geluid op elektrochemische systemen

De toepassing van sonicatie op elektrochemische reacties staat bekend om verschillende effecten op de elektroden, d.w.z. de anode en kathode, en op de elektrolytische oplossing. Ultrasone cavitatie en akoestische stroming veroorzaken aanzienlijke microbewegingen, inslaande vloeistofstralen en agitatie in de reactievloeistof. Dit resulteert in verbeterde hydrodynamica en beweging van het mengsel van vloeistof en vaste stof. Ultrasone cavitatie vermindert de effectieve dikte van de diffusielaag bij een elektrode. Een dunnere diffusielaag betekent dat sonicatie het concentratieverschil minimaliseert, wat inhoudt dat ultrasoon geluid bevordert dat de concentratie nabij een elektrode en de concentratiewaarde in de bulkoplossing naar elkaar toe groeien. De invloed van ultrasone agitatie op de concentratiegradiënten tijdens de reactie zorgt voor een voortdurende toevoer van verse oplossing naar de elektrode en afvoer van gereageerd materiaal. Dit betekent dat sonicatie de algehele kinetiek verbeterde, waardoor de reactiesnelheid werd verhoogd en de reactieopbrengst toenam.
Door ultrasone energie in het systeem te brengen en door de sonochemische vorming van vrije radicalen kan een elektrochemische reactie worden geïnitieerd die anders elektro-inactief zou zijn geweest. Een ander belangrijk effect van akoestische trillingen en stroming is de reinigende werking op de elektrodeoppervlakken. Passiveringslagen en vervuiling op de elektroden beperken de efficiëntie en de reactiesnelheid van elektrochemische reacties. Sonicatie houdt de elektroden voortdurend schoon en volledig actief voor de reactie. Sonicatie staat bekend om haar ontgassende effecten, die ook gunstig zijn voor elektrochemische reacties. Door ongewenste gassen uit de vloeistof te verwijderen, kan de reactie effectiever verlopen.

Toepassingen van sono-elektrochemie

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

• Synthese van nanodeeltjes (elektrosynthese)
• Waterstofsynthese
• Elektrocoagulatie
• Afvalwaterbehandeling
• Breken van emulsies
• Galvaniseren / elektrodepositie
• Ohmse verwarming

Sono-elektrochemische synthese van nanodeeltjes

Sonicatie is met succes toegepast om verschillende nanodeeltjes in een elektrochemisch systeem te synthetiseren. Magnetiet, cadmium-seleen (CdSe)-nanobuizen, platina nanodeeltjes (NP’s), gouden NP’s, metallisch magnesium, bismuteen, nanozilver, ultrafijn koper, nanodeeltjes van een wolfraam–kobalt (W–Co)-legering, een nanocomposiet van samariumoxide/gereduceerd grafeenoxide, met poly(acrylzuur) omhulde kopernanodeeltjes kleiner dan 1nm en vele andere poeders op nanoschaal zijn met succes geproduceerd met behulp van sono-elektrochemie.
De voordelen van sono-elektrochemische synthese van nanodeeltjes omvatten

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

Ashasssi-Sorkhabi en Bagheri (2014) synthetiseerden polypyrroolfilms sono-elektrochemisch en vergeleken de resultaten met elektrochemisch gesynthetiseerde polypyrroolfilms. De resultaten laten zien dat galvanostatische sono-elektrodepositie een sterk hechtende en gladde polypyrroolfilm (PPy) op staal opleverde, met een stroomdichtheid van 4 mA cm–2 in een oplossing van 0,1 M oxaalzuur/0,1 M pyrrool. Met sono-elektrochemische polymerisatie verkregen ze taaie PPy-films met een hoge weerstand en een glad oppervlak. Er is aangetoond dat PPy-coatings die met sono-elektrochemie worden bereid, aanzienlijke corrosiebescherming bieden aan St-12-staal. De gesynthetiseerde coating was uniform en vertoonde een hoge corrosiebestendigheid. Al deze resultaten kunnen mogelijk worden toegeschreven aan het feit dat het ultrasone geluid de massaoverdracht van de reactanten versterkte en hoge chemische reactiesnelheden veroorzaakte via akoestische cavitatie en de daaruit voortvloeiende hoge temperaturen en drukken. De geldigheid van de impedantiegegevens voor het grensvlak tussen St-12-staal, twee PPy-coatings en corrosieve media werd gecontroleerd met behulp van de KK-transformaties, waarbij lage gemiddelde fouten werden waargenomen.

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

Sono-elektrochemische waterstofproductie

Door ultrasoon geluid bevorderde elektrolyse verhoogt de waterstofopbrengst uit water of alkalische oplossingen aanzienlijk. Klik hier om meer te lezen over de door ultrasoon geluid versnelde elektrolytische waterstofsynthese!

Ultrasoon ondersteunde elektrocoagulatie

De toepassing van laagfrequent ultrasoon geluid op elektrocoagulatiesystemen staat bekend als sono-elektrocoagulatie. Onderzoeken laten zien dat sonicatie elektrocoagulatie positief beïnvloedt, wat bijvoorbeeld resulteert in een hogere verwijderingsefficiëntie van ijzerhydroxiden uit afvalwater. De positieve invloed van ultrasoon geluid op elektrocoagulatie wordt verklaard door de vermindering van elektrodepassivering. Laagfrequent ultrasoon geluid met hoge intensiteit breekt afgezette vaste lagen af en verwijdert ze efficiënt, waardoor de elektroden voortdurend volledig actief blijven. Bovendien activeert ultrasoon geluid beide typen ionen, d.w.z. kationen en anionen, die aanwezig zijn in de reactiezone van de elektroden. Ultrasone agitatie veroorzaakt sterke microbewegingen van de oplossing, waardoor grondstoffen en producten naar en van de elektroden worden aan- en afgevoerd.
Voorbeelden van succesvolle sono-elektrocoagulatieprocessen zijn de reductie van Cr(VI) tot Cr(III) in farmaceutisch afvalwater, de verwijdering van totaal fosfor uit effluenten van de fijnchemische industrie met een fosforverwijderingsefficiëntie van 99,5% binnen 10 min., en de verwijdering van kleur en CZV uit effluenten van de pulp- en papierindustrie, enz. De gerapporteerde verwijderingsefficiënties voor kleur, CZV, 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

Door ultrasoon geluid bevorderde 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 opgewekte cavitatie resulteert in intense agitatie, micromenging, massaoverdracht en de verwijdering van passiveringslagen van de elektroden. Deze cavitatie-effecten resulteren voornamelijk in een versterking van de massaoverdracht tussen vaste stof en vloeistof, tussen de elektroden en de oplossing. Sonochemische effecten hebben rechtstreeks invloed op moleculen. Homolytische splitsing van moleculen creëert zeer reactieve oxidatiemiddelen. In waterige media en in aanwezigheid van zuurstof worden radicalen zoals HO•, HO2• en O• geproduceerd. Het is bekend dat •OH-radicalen belangrijk zijn voor de efficiënte afbraak van organische materialen. Over het geheel genomen vertoont sono-elektrochemische afbraak een hoge efficiëntie en is zij geschikt voor de behandeling van grote volumes afvalwaterstromen en andere verontreinigde vloeistoffen.
Lllanos et al. (2016) ontdekten bijvoorbeeld dat aanzienlijke synergetische effecten voor waterdesinfectie werden verkregen wanneer het elektrochemische systeem door sonicatie werd geïntensiveerd (sono-elektrochemische desinfectie). Deze toename van de desinfectiesnelheid bleek verband te houden met de onderdrukking van agglomeraten van E. coli-cellen en met een verhoogde productie van desinfecterende species. Esclapez et al. (2010) lieten zien dat bij de opschaling van de afbraak van trichloorazijnzuur (TCAA) een speciaal ontworpen sono-elektrochemische reactor werd gebruikt (die echter niet geoptimaliseerd was). De aanwezigheid van een ultrasoon veld dat met de UIP1000hd werd opgewekt, leverde betere resultaten op (fractionele omzetting 97%, afbraakefficiëntie 26%, selectiviteit 0,92 en stroomefficiëntie 8%) bij lagere ultrasone intensiteiten en een lager volumetrisch debiet. Aangezien de sono-elektrochemische reactor op prepilotschaal nog niet geoptimaliseerd was, is het zeer waarschijnlijk dat deze resultaten nog verder kunnen worden verbeterd.

Ultrasone voltammetrie en elektrodepositie

Elektrodepositie werd galvanostatisch uitgevoerd bij een stroomdichtheid van 15 mA/cm2. Oplossingen werden vóór de elektrodepositie gedurende 5–60 minuten aan sonicatie onderworpen. Een sonicator van Hielscher, de UP200S met ultrasone sonde, werd gebruikt bij een cyclustijd van 0,5. Sonicatie werd uitgevoerd door de ultrasone sonde rechtstreeks 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 in kaart te brengen en de ideale omstandigheden voor elektrodepositie te kunnen voorspellen. Er wordt waargenomen dat de depositie bij minder negatieve potentiaalwaarden begint wanneer de oplossing vóór de elektrodepositie aan sonicatie wordt onderworpen. Dit betekent dat bij dezelfde stroom in de oplossing een lagere potentiaal nodig is, omdat de species in de oplossing zich actiever gedragen dan in oplossingen die niet aan sonicatie zijn onderworpen. (vgl. Yurdal & Karahan 2017)
Lees meer over sono-elektrochemische depositie van met nanomaterialen verbeterde coatings!

Elektrochemische sondes en SonoElectroReactors met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics is uw partner met jarenlange ervaring in ultrasone systemen met hoge prestaties. Wij produceren en distribueren geavanceerde 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 ultrasone processors van Hielscher zijn nauwkeurig regelbaar 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. Bij alle processors van Hielscher Ultrasonics kan de amplitude nauwkeurig worden ingesteld. De industriële ultrasone processors van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren en bieden de vereiste ultrasone intensiteit voor veeleisende sono-elektrochemische toepassingen. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden gebruikt tijdens 24/7-bedrijf.
Nauwkeurige amplitude-instellingen en de permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software bieden u de mogelijkheid om de sono-elektrochemische reactie nauwkeurig te beïnvloeden. Tijdens elke sonicatiecyclus worden alle ultrasone parameters automatisch op een ingebouwde SD-kaart vastgelegd, zodat elke cyclus 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 haar tot het werkpaard in uw elektrochemische proces. Dit maakt de ultrasone apparatuur van Hielscher tot een betrouwbaar werkinstrument dat aan de eisen van uw sono-elektrochemische proces voldoet.

Hoogste kwaliteit – ontworpen en geproduceerd in Duitsland

Als bedrijf dat in familiebezit is en door de familie wordt geleid, geeft Hielscher prioriteit aan de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasone processors. Alle sonicators worden ontworpen, geproduceerd en grondig getest op ons hoofdkantoor in Teltow bij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maken haar tot een werkpaard in uw productie. 24/7-bedrijf onder volledige belasting en in veeleisende omgevingen is een vanzelfsprekend kenmerk van de ultrasone sondes en reactoren met hoge prestaties van Hielscher.

Neem nu contact met ons op en vertel ons over de eisen van uw elektrochemische proces! Wij adviseren u de meest geschikte ultrasone elektroden en reactoropstelling!