Opstelling voor sono-elektrochemie – 2000 watt ultrageluid

Sono-elektrochemie combineert de voordelen van elektrochemie met sonochemie. Het grootste voordeel van deze technieken is hun eenvoud, lage kosten, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid. Hielscher Ultrasonics biedt een complete sono-elektrochemische opstelling voor batchgewijs en inline gebruik. Deze bestaat uit:

• een geavanceerde ultrasone generator (2000 watt) met automatische afstemming, amplituderegeling en geavanceerde gegevensregistratie,
• een krachtige transducer met ultrasone hoorn (industriële kwaliteit, 2000 watt, 20kHz),
• een elektrische isolator die de ultrasone trillingen niet vermindert
• ultrasone boosterhoorns voor het verhogen of verlagen van de amplitude
• verschillende sonotrodeontwerpen (De sonotrode is de elektrode. Kathode of anode.)
• een doorstroomcelreactor met verwisselbare celwanden (aluminium, roestvast staal, staal, koper, …)

U hoeft uw tijd niet te verspillen aan het ontwikkelen van een eigen opstelling om ultrageluid met elektrochemie te kunnen combineren. U hoeft geen elektrische aanpassingen aan standaard ultrasone apparatuur uit te voeren. Schaf deze industriële opstelling voor sono-elektrochemie aan en richt uw inspanningen en tijd op uw chemisch onderzoek en procesoptimalisatie!

Gebruiksklare opstelling voor sono-elektrochemie

Hielscher Ultrasonics biedt een eenvoudig te gebruiken sono-elektrochemische opstelling met een aanpasbare, flexibele configuratie. Deze opstelling is geschikt voor algemeen onderzoek en ontwikkeling en procesoptimalisatie, evenals voor productie op middelgrote schaal. De sonotrode van de UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) kan als elektrode worden gebruikt in een batchopstelling of inline met een doorstroomcel. De opstelling heeft een uniek ontwerp voor elektrische isolatie. De sono-elektrochemische upgrade van de transducer vermindert het ultrasone vermogen niet.
De standaard sonotrode/elektrode is gemaakt van titanium van graad 5 en is ontworpen om de gelijkmatigheid van de ultrasone intensiteit langs de zijkant te optimaliseren. Andere ontwerpen en andere materialen, zoals aluminium, staal of roestvast staal, zijn beschikbaar. De speciale doorstroomcelreactor van dit ontwerp heeft een aluminium behuizing die elektrisch wordt geïsoleerd door de kunststof aansluitingen aan beide uiteinden. Het aluminium profiel kan worden gebruikt als goedkope opofferingselektrode en kan eenvoudig worden vervangen door andere materialen, zoals staal, roestvast staal of koper. Andere celdiameters of ontwerpen zijn beschikbaar. De cel in de tekening heeft een spleet van ongeveer 2–4 mm tussen de ultrasone elektrode en de celbehuizing. Daardoor veroorzaken de ultrasone golven ook akoestische stroming en cavitatie op de celbehuizing. Alle standaardonderdelen van dit ontwerp zijn beschikbaar in onze magazijnen in Duitsland en de VS. Uiteraard kunt u dezelfde opstelling gebruiken voor alle andere niet-elektrische ultrasone en sonochemische processen. Deze opstelling werkt ook voor processen die door ultrageluid worden ondersteund en waarbij hoge elektrische pulsen (HEP) worden gebruikt.

Geavanceerde componenten van industriële kwaliteit

De UIP2000hdT wordt door veel klanten gebruikt om de kloof tussen tests op laboratoriumschaal en productie te overbruggen. Alle instrumenten van Hielscher zijn gebouwd voor continu bedrijf – 24h/7d/365d. De UIP2000hdT is uitgerust met een touchscreen, een ethernetinterface, 24/7 registratie in een met Excel compatibel CSV-formaat op een SD-kaart en een thermokoppel voor temperatuurbewaking. U kunt de UIP2000hdT via uw browser bedienen. Er is een digitale druksensor beschikbaar die op de UIP2000hdT kan worden aangesloten. De UIP2000hdT kan het werkelijke nettovermogen aan de elektrode weergeven. Dit is het netto mechanische ultrasone vermogen in de vloeistof. Hiermee kunt u elke seconde van de sonicatie bewaken en verifiëren, bijvoorbeeld voor procesregeling of optimalisatie. Ultrasone apparaten van Hielscher leveren zeer reproduceerbare en herhaalbare resultaten. U kunt uw resultaten lineair opschalen naar productieniveau. Uiteraard ondersteunt het technische team van Hielscher u bij het opzetten van de juiste experimenten en werkt Hielscher met u samen om uw proces te laten werken.

Deze opstelling voor sono-elektrochemie laat weinig te wensen over. Het enige wat mogelijk nog ontbreekt, is een tweede UIP2000hdT als tweede elektrode.

Als u nieuw bent in deze tak van de chemie, vindt u hieronder meer informatie over sonochemie, elektrochemie en sono-elektrochemie.

Sonochemie + elektrochemie = sono-elektrochemie

Sono-elektrochemie is de combinatie van elektrochemie en sonochemie.

Elektrochemie

Elektrochemie voegt elektriciteit toe aan de fysische chemie. Het is een geavanceerde manier om reagentia of reactanten te activeren door elektronen over te dragen. Het maakt gerichte, selectieve chemische omzettingen mogelijk. Elektrochemie is een oppervlakteverschijnsel.

Sonochemie

Sonochemie voegt akoestische en door cavitatie veroorzaakte stroming en activeringsenergie toe aan chemische reacties. Het belangrijkste mechanisme in de sonochemie is cavitatie. Het imploderen van cavitatiebellen in een ultrasoon veld creëert plaatselijke hotspots met extreme omstandigheden, zoals temperaturen van meer dan 5000 kelvin, drukken tot 1000 atmosfeer en vloeistofstralen met snelheden tot 1000 kilometer per uur. Dit verbetert elektrochemische reacties op het oppervlak van de elektroden.
Lees meer over sonochemie!

Sono-elektrochemie

Sono-elektrochemie combineert de twee hierboven genoemde technieken door sonicatie toe te passen op een elektrochemische opstelling. Ultrageluid beïnvloedt belangrijke elektrochemische parameters en de efficiëntie van chemische processen. De elektrochemische oplossing of de hydrodynamica van de elektroanalyt in een elektrochemische cel wordt sterk verbeterd door de aanwezigheid van ultrageluid. De koppeling van een elektrode aan een ultrasone hoorn heeft positieve effecten op de activiteit van het elektrodeoppervlak en het concentratieprofiel van de elektroanalytsoorten in de gehele cel. Sonomechanische effecten verbeteren het massatransport van elektrochemische soorten vanuit de bulkoplossing naar het elektroactieve oppervlak. Een ultrasone elektrode vermindert de dikte van de diffusielaag aan het elektrodeoppervlak, vergroot de dikte van de afzetting op de elektrode/de galvanische laag, verhoogt de elektrochemische reactiesnelheden, opbrengsten en efficiënties, verhoogt de porositeit en hardheid van de afzetting op de elektrode, verbetert de gasverwijdering uit elektrochemische oplossingen; reinigt en reactiveert het elektrodeoppervlak, verlaagt de overpotentialen van de elektrode door depassivering van het metaal en verwijdering van gasbellen op het elektrodeoppervlak (veroorzaakt door cavitatie en akoestische stroming) en onderdrukt elektrodevervuiling. Toepassingen van sono-elektrochemie zijn onder meer elektropolymerisatie, elektrocoagulatie, organische elektrosynthese, materiaalelektrochemie, milieuelektrochemie, elektroanalytische chemie, waterstofproductie en afzetting op elektroden.

Sono-elektrochemie in toepassingen van stromingschemie

Als u sono-elektrochemische processen in een doorstroomopstelling uitvoert, kunt u de verblijftijd van sono-elektrochemische reacties aanpassen door het debiet te variëren. U kunt recirculeren voor herhaalde blootstelling of het materiaal eenmaal door de cel pompen. Recirculatie kan voordelig zijn voor de temperatuurregeling, bijvoorbeeld door het materiaal door een warmtewisselaar te laten stromen voor koeling of verwarming.
Als u een tegendrukventiel aan de uitlaat van de sono-elektrochemische celreactor gebruikt, kunt u de druk in de cel verhogen. De druk in de cel is een zeer belangrijke parameter om de sonicatie te intensiveren en de vorming van gasfasen te beïnvloeden. Deze is ook belangrijk bij het werken met reactanten of producten met een laag kookpunt.
Bedrijf in doorstroommodus maakt continu bedrijf en daarmee de productie van grotere volumes mogelijk.
Als het materiaal tussen twee elektroden stroomt, bijvoorbeeld de sonotrode en de celwand, kunt u de afstand tussen de elektroden verkleinen. Dit maakt een betere controle over het aantal overgedragen elektronen en een betere selectiviteit van de reactie mogelijk. Dit kan de productnauwkeurigheid, de verdeling en de opbrengst verbeteren.
Over het algemeen kunnen sono-elektrochemische reacties in een opstelling met een doorstroomcelreactor veel sneller verlopen dan de overeenkomstige reactie in een batchproces. Reacties die tot meerdere uren kunnen duren, kunnen in enkele minuten worden voltooid en daarbij een beter product opleveren.

Literatuur / Referenties

• 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.