Elektrosonikacja – elektrody ultradźwiękowe

Elektrosonikacja to połączenie oddziaływania elektryczności z oddziaływaniem sonikacji. Hielscher Ultrasonics opracowała nową, elegancką metodę wykorzystania dowolnej sonotrody jako elektrody. Dzięki temu moc ultradźwięków jest przekazywana bezpośrednio na granicę między elektrodą ultradźwiękową a cieczą. Może tam wspomagać elektrolizę, poprawiać transport masy oraz rozbijać warstwy graniczne lub osady. Hielscher dostarcza urządzenia klasy produkcyjnej do procesów elektrosonikacji prowadzonych w trybie okresowym i w linii, w dowolnej skali. Elektrosonikację można łączyć z manosonikacją (ciśnienie) i termosonikacją (temperatura).

Zastosowania elektrod ultradźwiękowych

Zastosowanie ultradźwięków do elektrod jest nowatorską technologią przynoszącą korzyści w wielu różnych procesach elektrolizy, galwanizacji, oczyszczania elektrolitycznego, wytwarzania wodoru i elektrokoagulacji, syntezy cząstek oraz innych reakcji elektrochemicznych. Hielscher Ultrasonics oferuje łatwo dostępne elektrody ultradźwiękowe do badań i rozwoju w zakresie elektrolizy w skali laboratoryjnej lub pilotażowej. Po przetestowaniu i zoptymalizowaniu procesu elektrolitycznego można wykorzystać urządzenia ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics o wielkości produkcyjnej, aby przenieść uzyskane wyniki procesu na skalę produkcji przemysłowej. Poniżej znajdują się propozycje i zalecenia dotyczące stosowania elektrod ultradźwiękowych.

Sonoelektroliza (elektroliza ultradźwiękowa)

Elektroliza polega na wzajemnym przekształcaniu atomów i jonów poprzez usuwanie lub dodawanie elektronów w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Produkty elektrolizy mogą mieć inny stan skupienia niż elektrolit. Elektroliza może wytwarzać ciała stałe, takie jak osady lub stałe warstwy na dowolnej z elektrod. Alternatywnie elektroliza może wytwarzać gazy, takie jak wodór, chlor lub tlen. Wzbudzanie drgań ultradźwiękowych elektrody może odrywać stałe osady od jej powierzchni. O ultradźwiękowym odgazowaniu można powiedzieć, że szybko wytwarza większe pęcherzyki gazu z rozpuszczonych gazów mikropęcherzyków. Prowadzi to do szybszego oddzielania produktów gazowych od elektrolitu.

Ultradźwiękowy UIP2000hdT (2000 watów, 20kHz) jako katoda i/lub anoda w ogniwie elektrolitycznym

Transport masy na powierzchni elektrody wspomagany ultradźwiękami

Podczas elektrolizy produkty gromadzą się w pobliżu elektrod lub na ich powierzchni. Wzbudzanie drgań ultradźwiękowych jest bardzo skutecznym sposobem zwiększania transportu masy w warstwach granicznych. Efekt ten doprowadza świeży elektrolit do kontaktu z powierzchnią elektrody. Przepływ wywołany kawitacją transportuje produkty elektrolizy, takie jak gazy lub ciała stałe, z dala od powierzchni elektrody. Zapobiega to tworzeniu się warstw izolujących, które hamują proces.

Wpływ ultradźwięków na potencjał rozkładu

Wzbudzanie drgań ultradźwiękowych anody, katody lub obu elektrod może wpływać na potencjał rozkładu lub napięcie rozkładowe. Wiadomo, że sama kawitacja rozbija cząsteczki i wytwarza wolne rodniki lub ozon. Połączenie kawitacji z elektrolizą w procesie elektrolizy wspomaganej ultradźwiękami może wpływać na minimalne wymagane napięcie między anodą a katodą ogniwa elektrolitycznego, przy którym zachodzi elektroliza. Mechaniczne i sonochemiczne efekty kawitacji mogą również poprawiać efektywność energetyczną elektrolizy.

Ultradźwięki w elektrorafinacji i elektrolitycznym otrzymywaniu metali

W procesie elektrorafinacji stałe osady metali, takich jak miedź, można przekształcić w zawiesinę stałych cząstek w elektrolicie. Podczas elektrolitycznego otrzymywania metali, zwanego również elektroekstrakcją, elektroosadzanie metali z ich rud można przekształcić w stały osad. Do metali powszechnie otrzymywanych elektrolitycznie należą ołów, miedź, złoto, srebro, cynk, glin, chrom, kobalt, mangan oraz metale ziem rzadkich i metale alkaliczne.
Sonikacja jest również skutecznym sposobem ługowania rud.

Sonoelektrolityczne oczyszczanie cieczy

Oczyść ciecz, np. roztwór wodny, taki jak ścieki, szlam lub podobne medium, przepuszczając roztwór przez pole elektryczne dwóch elektrod! Elektroliza może dezynfekować lub oczyszczać roztwory wodne. Przepuszczanie roztworu NaCI wraz z wodą przez elektrody lub w poprzek elektrod wytwarza Cl2 lub CIO2, które mogą utleniać zanieczyszczenia i dezynfekować wodę lub roztwory wodne. Jeśli woda zawiera wystarczającą ilość naturalnych chlorków, dodawanie nie jest konieczne.
Drgania ultradźwiękowe elektrody mogą sprawić, że warstwa graniczna między elektrodą a wodą będzie możliwie najcieńsza. Może to poprawić transport masy o wiele rzędów wielkości. Drgania ultradźwiękowe i kawitacja znacznie ograniczają tworzenie się mikroskopijnych pęcherzyków wskutek polaryzacji. Zastosowanie elektrod ultradźwiękowych do elektrolizy znacznie usprawnia proces oczyszczania elektrolitycznego.

Sonoelektrokoagulacja (elektrokoagulacja ultradźwiękowa)

Elektrokoagulacja jest metodą oczyszczania ścieków służącą do usuwania zanieczyszczeń, takich jak zemulgowany olej, całkowite węglowodory ropopochodne, trudno rozkładalne substancje organiczne, zawiesiny i metale ciężkie. W celu oczyszczania wody można również usuwać jony radioaktywne. Dodanie sonikacji do elektrokoagulacji, określane również jako sonoelektrokoagulacja, korzystnie wpływa na skuteczność obniżania chemicznego zapotrzebowania na tlen lub usuwania mętności. Procesy oczyszczania łączące elektrokoagulację z innymi metodami wykazały znacznie większą skuteczność usuwania zanieczyszczeń ze ścieków przemysłowych. Połączenie etapu wytwarzającego wolne rodniki, takiego jak kawitacja ultradźwiękowa, z elektrokoagulacją wykazuje synergię i usprawnia cały proces oczyszczania. Celem stosowania tych hybrydowych układów ultradźwiękowo-elektrolitycznych jest zwiększenie ogólnej skuteczności oczyszczania i wyeliminowanie wad konwencjonalnych procesów oczyszczania. Wykazano, że hybrydowe reaktory ultradźwiękowo-elektrokoagulacyjne inaktywują Escherichia coli w wodzie.

Ultradźwiękowy UIP2000hdT (2000 watów, 20kHz) jako sonokatoda i/lub sonoanoda w zbiorniku

Sonoelektrolityczne wytwarzanie odczynników lub substratów in situ

Wiele procesów chemicznych, takich jak reakcje heterogeniczne czy kataliza, korzysta ze wzbudzania drgań ultradźwiękowych i kawitacji ultradźwiękowej. Oddziaływanie sonochemiczne może zwiększać szybkość reakcji lub poprawiać wydajność konwersji.
Elektrody wprawiane w drgania ultradźwiękowe stanowią nowe, potężne narzędzie do prowadzenia reakcji chemicznych. Teraz można połączyć korzyści sonochemii z elektrolizą. Wytwarzaj wodór, jony wodorotlenkowe, podchloryn i wiele innych jonów lub substancji obojętnych bezpośrednio w polu kawitacji ultradźwiękowej. Produkty elektrolizy mogą pełnić funkcję odczynników lub substratów reakcji chemicznej.

Połączenie ultradźwięków z impulsowym polem elektrycznym

Połączenie impulsowego pola elektrycznego (PEF) i ultradźwięków (US) korzystnie wpływa na ekstrakcję związków fizykochemicznych, bioaktywnych oraz na strukturę chemiczną ekstraktów. W ekstrakcji migdałów obróbka łączona (PEF–US) zapewniła najwyższe poziomy całkowitej zawartości związków fenolowych, całkowitej zawartości flawonoidów, skondensowanych tanin, zawartości antocyjanów oraz aktywności przeciwutleniającej. Zmniejszyła moc i aktywność chelatowania metali.
Ultradźwięki (US) i impulsowe pole elektryczne (PEF) można stosować do zwiększania efektywności procesu i tempa produkcji w procesach fermentacji poprzez poprawę transportu masy i przepuszczalności komórek.
Połączenie obróbki impulsowym polem elektrycznym i ultradźwiękami wpływa na kinetykę suszenia powietrzem oraz jakość suszonych warzyw, takich jak marchew. Czas suszenia można skrócić o 20 do 40%, zachowując właściwości rehydratacyjne.

Sonoelektrochemia / elektrochemia ultradźwiękowa

Wprowadź elektrolizę wspomaganą ultradźwiękami, aby wytwarzać substraty lub zużywać produkty reakcji chemicznych w celu przesunięcia końcowej równowagi reakcji chemicznej lub zmiany jej przebiegu.

Proponowana konfiguracja elektrod ultradźwiękowych

Innowacyjna konstrukcja sonikatorów sondowych przekształca standardową sonotrodę ultradźwiękową w elektrodę drgającą ultradźwiękowo. Dzięki temu stosowanie ultradźwięków w elektrodach staje się bardziej dostępne, łatwiejsze do zintegrowania i łatwe do skalowania do poziomu produkcyjnego. Inne konstrukcje wprawiały w ruch jedynie elektrolit między dwiema elektrodami niewprawianymi w drgania. Efekty cienia i rozkład propagacji fal ultradźwiękowych dają gorsze wyniki w porównaniu z bezpośrednim wzbudzaniem drgań elektrody. Drgania ultradźwiękowe można wzbudzać odpowiednio w anodach lub katodach. Oczywiście napięcie i biegunowość elektrod można zmieniać w dowolnym momencie. Elektrody Hielscher Ultrasonics można łatwo zamontować w istniejących układach.

Szczelne ogniwo sonoelektrolityczne i reaktory elektrochemiczne

Dostępne jest uszczelnienie odporne na ciśnienie między sonotrodą ultradźwiękową (elektrodą) a naczyniem reaktora. Dzięki temu ogniwo elektrolityczne może pracować przy ciśnieniu innym niż ciśnienie otoczenia. Połączenie ultradźwięków z ciśnieniem nazywa się manosonikacją. Może to być przydatne, jeśli elektroliza wytwarza gazy, podczas pracy w wyższych temperaturach lub z lotnymi składnikami cieczy. Szczelnie zamknięty reaktor elektrochemiczny może pracować przy ciśnieniach wyższych lub niższych od ciśnienia otoczenia. Uszczelnienie między elektrodą ultradźwiękową a reaktorem może przewodzić prąd lub stanowić izolację elektryczną. Drugi wariant pozwala wykorzystać ściany reaktora jako drugą elektrodę. Oczywiście reaktor może mieć króćce wlotowe i wylotowe, aby działać jako reaktor z komorą przepływową do procesów ciągłych. Hielscher Ultrasonics oferuje różnorodne znormalizowane reaktory i komory przepływowe z płaszczem. Alternatywnie można wybrać spośród szeregu adapterów umożliwiających dopasowanie sonotrod Hielscher do swojego reaktora elektrochemicznego.

Układ koncentryczny w reaktorze rurowym

Jeśli elektroda wprawiana w drgania ultradźwiękowe znajduje się w pobliżu drugiej elektrody niewprawianej w drgania lub w pobliżu ściany reaktora, fale ultradźwiękowe rozchodzą się w cieczy i oddziałują również na pozostałe powierzchnie. Elektroda wprawiana w drgania ultradźwiękowe, umieszczona koncentrycznie w rurze lub reaktorze, może utrzymywać ściany wewnętrzne wolne od zanieczyszczeń osadowych lub nagromadzonych ciał stałych.

Temperatura

Przy stosowaniu standardowych sonotrod Hielscher jako elektrod temperatura elektrolitu może wynosić od 0 do 80 stopni Celsjusza. Sonotrody do innych temperatur elektrolitu, w zakresie od -273 stopni Celsjusza do 500 stopni Celsjusza, są dostępne na zamówienie. Połączenie ultradźwięków z temperaturą nazywa się termosonikacją.

Lepkość

Jeśli lepkość elektrolitu ogranicza transport masy, mieszanie wywołane drganiami ultradźwiękowymi podczas elektrolizy może być korzystne, ponieważ poprawia transport materiału do elektrod i od nich.

Sonoelektroliza z prądem pulsującym

Prąd pulsujący na elektrodach wprawianych w drgania ultradźwiękowe prowadzi do powstawania innych produktów niż prąd stały (DC). Na przykład prąd pulsujący może zwiększać stosunek ozonu do tlenu wytwarzanych na anodzie podczas elektrolizy kwaśnego roztworu wodnego, np. rozcieńczonego kwasu siarkowego. Elektroliza etanolu prądem impulsowym wytwarza aldehyd zamiast przede wszystkim kwasu.

Urządzenia do elektrosonikacji

Hielscher Ultrasonics opracowała specjalną modernizację sonoelektrochemiczną przetworników przemysłowych. Zmodernizowany przetwornik współpracuje z niemal wszystkimi typami sonotrod Hielscher.

Elektrody ultradźwiękowe (sonotrody)

Sonotrody są elektrycznie odizolowane od generatora ultradźwiękowego. Dzięki temu do sonotrody ultradźwiękowej można przyłożyć napięcie elektryczne, aby mogła pełnić funkcję elektrody. Standardowa szczelina izolacyjna między sonotrodami a stykiem uziemiającym wynosi 2,5 mm. Dlatego do sonotrody można przyłożyć napięcie do 2500 woltów. Standardowe sonotrody są lite i wykonane z tytanu. W związku z tym prąd elektrody nie podlega niemal żadnym ograniczeniom. Tytan wykazuje dobrą odporność na korozję w wielu elektrolitach alkalicznych lub kwaśnych. Możliwe są alternatywne materiały sonotrod, takie jak glin (Al), stal (Fe), stal nierdzewna, stop niklowo-chromowo-molibdenowy lub niob. Hielscher oferuje ekonomiczne sonotrody pełniące funkcję anod protektorowych, np. wykonane z glinu lub stali.

Generator ultradźwiękowy, zasilanie

Generator ultradźwiękowy nie wymaga żadnych modyfikacji i korzysta ze standardowego gniazda elektrycznego z uziemieniem. Koncentrator przetwornika oraz wszystkie zewnętrzne powierzchnie przetwornika i generatora są oczywiście połączone z uziemieniem gniazda zasilającego. Sonotroda i element usztywniający są jedynymi częściami, do których przyłożone jest napięcie elektrody. Ułatwia to projektowanie układu. Sonotrodę można podłączyć do prądu stałego (DC), pulsującego prądu stałego lub prądu przemiennego (AC). Elektrody ultradźwiękowe mogą pracować odpowiednio jako anody lub katody.

Urządzenia produkcyjne do procesów elektrosonikacji

Można użyć dowolnego urządzenia ultradźwiękowego Hielscher, takiego jak UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT lub UIP4000hdT, aby sprzęgnąć do 4000 watów mocy ultradźwiękowej z dowolną standardową sonotrodą lub kaskatrodą. Natężenie powierzchniowe ultradźwięków na powierzchni sonotrody może wynosić od 1 wata do 100 watów wat na centymetr kwadratowy. Dostępne są różne geometrie sonotrod o amplitudach od 1 mikrometra do 150 mikrometrów (od szczytu do szczytu). Częstotliwość ultradźwięków 20kHz jest bardzo skuteczna w wytwarzaniu kawitacji i strumieniowania akustycznego w elektrolicie. Urządzenia ultradźwiękowe Hielscher mogą pracować 24 godziny na dobę, siedem dni w tygodniu. Można pracować w trybie ciągłym przy pełnej mocy wyjściowej lub w trybie pulsacyjnym, np. w celu okresowego czyszczenia elektrod. Hielscher Ultrasonics może dostarczać elektrody ultradźwiękowe o mocy ultradźwiękowej do 16 kilowatów (wzbudzanie drgań mechanicznych) na pojedynczą elektrodę. Moc elektryczna, którą można doprowadzić do elektrod, nie podlega niemal żadnym ograniczeniom.

Jeszcze jedna kwestia: rozpylanie sonoelektrostatyczne

Hielscher Ultrasonics produkuje urządzenia do rozpylania, nebulizacji, atomizacji lub wytwarzania aerozoli z cieczy. Sonotroda do rozpylania ultradźwiękowego może nadawać mgle cieczowej lub aerozolom dodatni ładunek. Łączy to rozpylanie ultradźwiękowe z technologią rozpylania elektrostatycznego, np. w procesach nanoszenia powłok.

Literatura / źródła

• 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.