Elektro-Sonizacja – Elektrody ultradźwiękowe

Elektro-sonizacja jest połączeniem efektów działania prądu elektrycznego z efektami dźwiękowymi. Firma Hielscher Ultrasonics opracowała nową i elegancką metodę wykorzystania każdej sondy jako elektrody. Dzięki temu moc ultradźwięków znajduje się bezpośrednio na styku elektrody ultradźwiękowej i cieczy. Tam może wspomagać elektrolizę, poprawiać przenoszenie masy, a także rozbijać warstwy graniczne lub osady. Hielscher dostarcza urządzenia klasy produkcyjnej do procesów elektro-sonizacyjnych w procesach wsadowych i liniowych w dowolnej skali. Można łączyć elektro-sonizację z mano-sonizacją (ciśnienie) i termo-sonizacją (temperatura).

Aplikacje elektrodami ultradźwiękowymi

Zastosowanie ultradźwięków do elektrod jest nowatorską technologią przynoszącą korzyści dla wielu różnych procesów w elektrolizie, galwanizacji, elektrooczyszczaniu, wytwarzaniu wodoru i elektrokoagulacji, syntezie cząstek lub innych reakcjach elektrochemicznych. Firma Hielscher Ultrasonics posiada łatwo dostępne elektrody ultradźwiękowe do badań i rozwoju w skali laboratoryjnej lub do elektrolizy w skali pilotowej. Po przetestowaniu i zoptymalizowaniu procesu elektrolitycznego, można zastosować urządzenia ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics o wielkości produkcyjnej, aby przeskalować wyniki procesu do poziomu produkcji przemysłowej. Poniżej znajdują się sugestie i zalecenia dotyczące stosowania elektrod ultradźwiękowych.

Elektroliza ultradźwiękowa (Ultrasonic Electrolysis)

Elektroliza jest wymianą atomów i jonów poprzez usunięcie lub dodanie elektronów powstałych w wyniku działania prądu elektrycznego. Produkty elektrolizy mogą mieć inny stan fizyczny niż elektrolit. W wyniku elektrolizy mogą powstawać substancje stałe, takie jak wytrącenia lub warstwy stałe na jednej z elektrod. Alternatywnie, w wyniku elektrolizy mogą powstawać gazy, takie jak wodór, chlor lub tlen. Ultradźwiękowe mieszanie się elektrody może spowodować przerwanie osadów stałych z powierzchni elektrody. Odgazowanie ultradźwiękowe szybko powoduje powstawanie większych pęcherzyków gazu z rozpuszczonych gazów z mikropęcherzyków. Prowadzi to do szybszego oddzielania się produktów gazowych od elektrolitu.

Ultradźwiękowo ulepszone transfery masy na powierzchni elektrody

Podczas procesu elektrolizy produkty gromadzą się w pobliżu elektrod lub na powierzchni elektrody. Wzbudzenie ultradźwiękowe jest bardzo skutecznym narzędziem zwiększającym transfer masy w warstwach granicznych. Efekt ten przynosi świeży elektrolit w kontakcie z powierzchnią elektrody. Kawitacyjny strumień transportuje produkty elektrolizy, takie jak gazy lub substancje stałe, z dala od powierzchni elektrody. W ten sposób zapobiega się powstawaniu hamujących warstw izolacyjnych.

Wpływ ultrasonografii na potencjał rozkładu

Ultradźwiękowe pobudzenie anody, katody lub obu elektrod może wpływać na potencjał rozkładu lub napięcie rozkładu. Wiadomo, że sama kawitacja rozbija molekuły, wytwarza wolne rodniki lub ozon. Połączenie kawitacji z elektrolizą w elektrolizie wzmocnionej ultradźwiękami może mieć wpływ na minimalne wymagane napięcie pomiędzy anodą i katodą ogniwa elektrolitycznego, aby mogła nastąpić elektroliza. Mechaniczne i sonochemiczne efekty kawitacji mogą również poprawić efektywność energetyczną elektrolizy.

Ultradźwięki w elektrorafinacji i elektrowinningu

W procesie elektrorafinacji, stałe osady metali, takie jak miedź, mogą zostać przekształcone w zawiesinę cząstek stałych w elektrolicie. W procesie elektrorafinacji, nazywanym również elektrowodociągiem, elektrodepozycja metali z ich rud może być zamieniona w stały osad. Zwykłe metale elektrowonowe to ołów, miedź, złoto, srebro, cynk, aluminium, chrom, kobalt, mangan oraz metale ziem rzadkich i metali alkalicznych. Ultrasonizacja jest również skutecznym środkiem do wymywania rud.

Sono-Elektrolityczne oczyszczanie cieczy

Oczyść ciecz, np. roztwór wodny, taki jak ścieki, szlam lub podobny, prowadząc roztwór przez pole elektryczne dwóch elektrod! Elektroliza może dezynfekować lub oczyszczać roztwory wodne. Podawanie roztworu NaCI razem z wodą przez elektrody lub przez elektrody generuje Cl2 lub CIO2, które mogą utleniać zanieczyszczenia i dezynfekować wodę lub roztwory wodne. Jeśli woda zawiera wystarczającą ilość naturalnych chlorków, nie ma potrzeby dodawania jej.
Ultradźwiękowe drgania elektrody mogą spowodować, że warstwa graniczna pomiędzy elektrodą a wodą będzie możliwie najcieńsza. Może to poprawić przenoszenie masy o wiele rzędów wielkości. Wibracje ultradźwiękowe i kawitacja znacznie zmniejszają powstawanie mikroskopijnych pęcherzyków w wyniku polaryzacji. Zastosowanie elektrod ultradźwiękowych do elektrolizy znacznie poprawia proces oczyszczania elektrolitycznego.

Sono-Elektrokoagulacja (Ultradźwiękowa Elektrokoagulacja)

Elektrokoagulacja jest metodą oczyszczania ścieków służącą do usuwania zanieczyszczeń, takich jak olej zemulgowany, węglowodory ropopochodne ogółem, ogniotrwałe substancje organiczne, zawiesiny ciał stałych i metale ciężkie. Jony radioaktywne mogą być również usuwane w celu oczyszczenia wody. Dodatek elektrokoagulacji ultradźwiękowej, znanej również jako elektrokoagulacja ultradźwiękowa, ma pozytywny wpływ na chemiczne zapotrzebowanie na tlen lub sprawność usuwania zmętnień. Połączone procesy oczyszczania z elektrokoagulacją wykazały znacznie lepsze wyniki w usuwaniu zanieczyszczeń ze ścieków przemysłowych. Integracja etapu wytwarzania wolnych rodników, takiego jak kawitacja ultradźwiękowa z elektrokoagulacją, wykazuje synergię i poprawę w całym procesie oczyszczania. Celem zastosowania tych hybrydowych systemów ultradźwiękowo-elektrolitycznych jest zwiększenie ogólnej wydajności oczyszczania i wyeliminowanie wad tradycyjnych procesów oczyszczania. Wykazano, że hybrydowe reaktory ultradźwiękowo-elektrokoagulacyjne inaktywują Escherichia coli w wodzie.

Sono-Elektrolityczna generacja odczynników lub reaktantów in situ

Wiele procesów chemicznych, takich jak niejednorodne reakcje lub kataliza, korzysta z mieszania ultradźwiękowego i kawitacji ultradźwiękowej. Wpływ sono-chemiczny może zwiększyć szybkość reakcji lub poprawić wydajność konwersji.
Ultradźwiękowo wzburzone elektrody dodają nowego potężnego narzędzia do reakcji chemicznych. Teraz można połączyć zalety sonochemii z elektrolizą. Produkuj wodór, jony wodorotlenkowe, podchloryn i wiele innych jonów lub materiałów neutralnych bezpośrednio w polu kawitacji ultradźwiękowej. Produkty elektrolizy mogą działać jako odczynniki lub jako reaktory do reakcji chemicznej.

Połączenie ultradźwięków z impulsowym polem elektrycznym

Połączenie impulsowego pola elektrycznego (PEF) i ultradźwięków (US) ma pozytywny wpływ na ekstrakcję związków fizykochemicznych, bioaktywnych i strukturę chemiczną ekstraktów. W ekstrakcji migdałów, leczenie łączone (PEF-US) wytworzyło najwyższe poziomy fenoli ogółem, flawonoidów ogółem, skondensowanych garbników, zawartości antocyjanów i aktywności antyoksydacyjnej. Zmniejszyło to moc i aktywność chelatowania metali.
Ultradźwięki (US) i impulsowe pole elektryczne (PEF) mogą być stosowane w celu zwiększenia wydajności procesu i szybkości produkcji w procesach fermentacyjnych poprzez poprawę transferu masy i przepuszczalności komórek.
Połączenie impulsowego pola elektrycznego i obróbki ultradźwiękowej ma wpływ na kinetykę suszenia na powietrzu i jakość suszonych warzyw, takich jak marchew. Czas suszenia można skrócić o 20 do 40%, zachowując jednocześnie właściwości nawadniające.

Sono-Elektrochemia / Ultradźwiękowa Elektrochemia

Dodaj ultradźwiękowo wzmocnioną elektrolizę do produkcji reaktorów lub do zużywania produktów reakcji chemicznych w celu przesunięcia końcowej równowagi reakcji chemicznej lub zmiany ścieżki reakcji chemicznej.

Sugerowany zestaw elektrod ultradźwiękowych

Innowacyjna konstrukcja izolatora dla ultradźwięków typu sonda zamienia standardową sondę ultradźwiękową w ultradźwiękową elektrodę wibracyjną. Dzięki temu ultradźwięki do elektrod są bardziej dostępne, łatwiejsze do zintegrowania i łatwo skalowalne do poziomu produkcyjnego. Inne konstrukcje mieszają elektrolit tylko pomiędzy dwoma nieagitowanymi elektrodami. Wzorce cieniowania i propagacji fal ultradźwiękowych dają gorsze wyniki w porównaniu z bezpośrednim wzbudzeniem elektrody. Wibracje ultradźwiękowe można dodać odpowiednio do anod lub katod. Oczywiście, w każdej chwili można zmienić napięcie i polaryzację elektrod. Elektrody ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics są łatwe w modernizacji do istniejących ustawień.

Uszczelnione ogniwa soniowo-elektrolityczne i reaktory elektrochemiczne

Dostępna jest szczelna uszczelka pomiędzy sondą ultradźwiękową (elektrodą) a zbiornikiem reaktora. Dzięki temu można eksploatować ogniwo elektrolityczne przy ciśnieniu innym niż ciśnienie otoczenia. Połączenie ultradźwięków z ciśnieniem nazywane jest mano-soniką. Może to być interesujące, jeśli w wyniku elektrolizy powstają gazy, przy pracy w wyższych temperaturach lub przy pracy z lotnymi składnikami ciekłymi. Szczelnie zamknięty reaktor elektrochemiczny może pracować przy ciśnieniu wyższym lub niższym od ciśnienia otoczenia. Uszczelnienie pomiędzy elektrodą ultradźwiękową a reaktorem może być wykonane elektrycznie przewodzące lub izolujące. Ta ostatnia pozwala na pracę ścianek reaktora jako drugiej elektrody. Oczywiście reaktor może być wyposażony w króćce wlotowe i wylotowe pełniące rolę reaktora przepływowego dla procesów ciągłych. Firma Hielscher Ultrasonics oferuje szereg standaryzowanych reaktorów i przepływomierzy płaszczowych. Alternatywnie, można wybrać jeden z szeregu adapterów, aby dopasować sondy Hielscher do swojego reaktora elektrochemicznego.

Układ koncentryczny w reaktorze rurowym

Jeśli ultradźwiękowo wzburzona elektroda znajduje się w pobliżu drugiej nie wzburzonej elektrody lub w pobliżu ściany reaktora, fale ultradźwiękowe rozchodzą się przez ciecz, a fale ultradźwiękowe będą działać również na innych powierzchniach. Ultradźwiękowo wzbudzona elektroda, która jest koncentrycznie zorientowana w rurze lub w reaktorze, może utrzymać wewnętrzne ścianki wolne od zanieczyszczeń lub od nagromadzonych ciał stałych.

Temperatura

W przypadku stosowania standardowych sonotrod firmy Hielscher jako elektrod, temperatura elektrolitu może wynosić od 0 do 80 stopni Celsjusza. Sonody dla innych temperatur elektrolitu w zakresie od -273 stopni Celsjusza do 500 stopni Celsjusza dostępne są na zamówienie. Połączenie ultradźwięków z temperaturą nazywane jest termo-sonikcją.

lepkość

Jeśli lepkość elektrolitu hamuje przenoszenie masy, korzystne może być mieszanie ultradźwiękowe podczas elektrolizy, ponieważ poprawia ono przenoszenie materiału do i z elektrod.

Sono-Elektroliza z prądem pulsującym

Prąd pulsujący na ultradźwiękowo wzburzonych elektrodach powoduje powstanie produktów różniących się od prądu stałego (DC). Na przykład, prąd pulsujący może zwiększyć stosunek ozonu do tlenu wytwarzanego w anodzie w elektrolizie wodnego roztworu kwasu, np. rozcieńczonego kwasu siarkowego. Elektroliza prądem pulsującym etanolu wytwarza aldehyd zamiast przede wszystkim kwas.

Urządzenia do elektro-sonizacji

Firma Hielscher Ultrasonics opracowała specjalny izolator elektryczny. Izolator ten łączy drgania mechaniczne ze standardowego przetwornika UIP z prawie wszystkimi typami sonotrod firmy Hielscher.

Elektrody ultradźwiękowe (sonotrody)

Sonotrody są elektrycznie odizolowane od generatora ultradźwiękowego i przetwornika. Dlatego też można podłączyć sondę ultradźwiękową do napięcia elektrycznego, tak aby sonotroda mogła działać jak elektroda. Standardowa szczelina izolacji elektrycznej pomiędzy sonotrodami a rogiem przetwornika wynosi 2,5 mm. W związku z tym na sonotrodę można przyłożyć do niej napięcie do 2500 V. Standardowe sonody są solidne i wykonane z tytanu. W związku z tym nie ma prawie żadnych ograniczeń prądu elektrody. Tytan wykazuje dobrą odporność na korozję wielu elektrolitów alkalicznych lub kwaśnych. Alternatywne materiały do produkcji sonotrod, takie jak aluminium (Al), stal (Fe), stal nierdzewna, nikiel-chrom-molibden lub niob są możliwe. Firma Hielscher oferuje niedrogie sonody anodowe, np. wykonane z aluminium lub stali.

Generator ultradźwiękowy, zasilacz

Generator ultradźwiękowy nie wymaga żadnych modyfikacji i wykorzystuje standardowe gniazdo elektryczne z uziemieniem. Róg przetwornika i wszystkie zewnętrzne powierzchnie przetwornika i generatora są oczywiście połączone z masą gniazda elektrycznego. Sonota i element usztywniający są jedynymi częściami podłączonymi do napięcia elektrody. Ułatwia to projektowanie konfiguracji. Sonotrodę można podłączyć do prądu stałego (DC), pulsacyjnego prądu stałego lub zmiennego (AC). Elektrody ultradźwiękowe mogą być eksploatowane odpowiednio jako anody lub katody.

Urządzenia produkcyjne do procesów elektro-sonizacyjnych

Możesz użyć dowolnego urządzenia ultradźwiękowego Hielscher, takiego jak UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT lub UIP4000hdT, aby połączyć do 4000 watów mocy ultradźwięków z dowolną standardową sondą lub kaskadą. Intensywność powierzchni ultradźwiękowej na powierzchni sondy może wynosić od 1 W do 100 W na centymetr kwadratowy. Dostępne są różne geometrie sonotrod o amplitudzie od 1 mikrona do 150 mikronów (peak-peak). Częstotliwość ultradźwiękowa 20kHz jest bardzo efektywna w generowaniu kawitacji i strumieni akustycznych w elektrolicie. Urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher mogą pracować 24 godziny na dobę, siedem dni w tygodniu. Mogą pracować w trybie ciągłym na pełnej mocy lub impulsowym, np. do okresowego czyszczenia elektrod. Hielscher Ultrasonics może dostarczać elektrody ultradźwiękowe o mocy do 16 kilowatów mocy ultradźwiękowej (mieszanie mechaniczne) na jedną elektrodę. Nie ma prawie żadnego ograniczenia mocy elektrycznej, którą można podłączyć do elektrod.

Jeszcze jedno: Sono-Elektrostatyczne opryskiwanie

Firma Hielscher Ultrasonics produkuje urządzenia do rozpylania, nebulizacji, rozpylania lub aerozolezowania cieczy. Za pomocą ultradźwiękowej sondy natryskowej można nadać płynnej mgle lub aerozolom dodatni ładunek. Łączy to napylanie ultradźwiękowe z technologią napylania elektrostatycznego, np. do procesów powlekania.