Elektrosonizacja – Elektrody ultradźwiękowe

Elektrosonikacja to połączenie efektów elektryczności z efektami sonikacji. Firma Hielscher Ultrasonics opracowała nową i elegancką metodę wykorzystania dowolnej sonotrody jako elektrody. To stawia moc ultradźwięków bezpośrednio na styku elektrody ultradźwiękowej i cieczy. Tam może promować elektrolizę, poprawiać transfer masy i rozbijać warstwy graniczne lub osady. Hielscher dostarcza sprzęt klasy produkcyjnej do procesów elektrosonikacji w procesach wsadowych i liniowych w dowolnej skali. Elektrosonikację można łączyć z manosonikacją (ciśnienie) i termosonikacją (temperatura).

Zastosowania elektrod ultradźwiękowych

Zastosowanie ultradźwięków do elektrod jest nowatorską technologią przynoszącą korzyści wielu różnym procesom w elektrolizie, galwanizacji, elektrooczyszczaniu, wytwarzaniu wodoru i elektrokoagulacji, syntezie cząstek lub innych reakcjach elektrochemicznych. Hielscher Ultrasonics posiada elektrody ultradźwiękowe łatwo dostępne do badań i rozwoju w skali laboratoryjnej lub pilotażowej elektrolizy. Po przetestowaniu i zoptymalizowaniu procesu elektrolitycznego można użyć sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher Ultrasonics do skalowania wyników procesu do poziomu produkcji przemysłowej. Poniżej znajdują się sugestie i zalecenia dotyczące stosowania elektrod ultradźwiękowych.

Sonoelektroliza (elektroliza ultradźwiękowa)

Elektroliza to wymiana atomów i jonów poprzez usuwanie lub dodawanie elektronów w wyniku zastosowania prądu elektrycznego. Produkty elektrolizy mogą mieć inny stan fizyczny niż elektrolit. W wyniku elektrolizy mogą powstawać ciała stałe, takie jak osady lub stałe warstwy na jednej z elektrod. Alternatywnie, elektroliza może wytwarzać gazy, takie jak wodór, chlor lub tlen. Ultradźwiękowe mieszanie elektrody może rozbić stałe osady z powierzchni elektrody. Odgazowanie ultradźwiękowe szybko wytwarza większe pęcherzyki gazu z rozpuszczonych gazów mikropęcherzyków. Prowadzi to do szybszego oddzielania produktów gazowych od elektrolitu.

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

Ultradźwiękowo wzmocniony transfer masy na powierzchni elektrody

Podczas procesu elektrolizy produkty gromadzą się w pobliżu elektrod lub na ich powierzchni. Mieszanie ultradźwiękowe jest bardzo skutecznym narzędziem zwiększającym przenoszenie masy w warstwach granicznych. Efekt ten powoduje kontakt świeżego elektrolitu z powierzchnią elektrody. Strumień kawitacyjny transportuje produkty elektrolizy, takie jak gazy lub ciała stałe, z dala od powierzchni elektrody. Zapobiega to tworzeniu się warstw izolujących.

Wpływ ultradźwięków na potencjał rozkładu

Ultradźwiękowe mieszanie anody, katody lub obu elektrod może wpływać na potencjał rozkładu lub napięcie rozkładu. Wiadomo, że sama kawitacja rozbija cząsteczki, wytwarza wolne rodniki lub ozon. Połączenie kawitacji z elektrolizą w ultradźwiękowo wzmocnionej elektrolizie może wpływać na minimalne wymagane napięcie między anodą i katodą ogniwa elektrolitycznego, aby wystąpiła elektroliza. Mechaniczne i sonochemiczne efekty kawitacji mogą również poprawić efektywność energetyczną elektrolizy.

Ultradźwięki w elektrorafinacji i elektroprzędzeniu

W procesie elektrorafinacji stałe osady metali, takich jak miedź, mogą zostać przekształcone w zawiesinę stałych cząstek w elektrolicie. W procesie elektrorafinacji, zwanym również elektroekstrakcją, elektrodepozycja metali z ich rud może zostać przekształcona w stały osad. Powszechne metale elektrolityczne to ołów, miedź, złoto, srebro, cynk, aluminium, chrom, kobalt, mangan oraz metale ziem rzadkich i metale alkaliczne. Ultradźwięki są również skutecznym środkiem do ługowania rud.

Sonoelektrolityczne oczyszczanie cieczy

Oczyszczanie cieczy, np. roztworów wodnych, takich jak ścieki, osady itp. poprzez przepuszczenie roztworu przez pole elektryczne dwóch elektrod! Elektroliza może dezynfekować lub oczyszczać roztwory wodne. Podawanie roztworu NaCI wraz z wodą przez elektrody lub w poprzek elektrod generuje Cl2 lub CIO2, które mogą utleniać zanieczyszczenia i dezynfekować wodę lub roztwory wodne. Jeśli woda zawiera wystarczającą ilość naturalnych chlorków, nie ma potrzeby ich dodawania.
Wibracje ultradźwiękowe elektrody mogą sprawić, że warstwa graniczna między elektrodą a wodą będzie tak cienka, jak to tylko możliwe. Może to poprawić transfer 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.

Sonoelektrokoagulacja (elektrokoagulacja ultradźwiękowa)

Elektrokoagulacja to metoda oczyszczania ścieków służąca do usuwania zanieczyszczeń, takich jak zemulgowany olej, całkowite węglowodory ropopochodne, ogniotrwałe substancje organiczne, zawieszone ciała stałe i metale ciężkie. Ponadto, jony radioaktywne mogą być usuwane z oczyszczania wody. Dodanie elektrokoagulacji ultradźwiękowej, znanej również jako sono-elektrokoagulacja, ma pozytywny wpływ na chemiczne zapotrzebowanie na tlen lub skuteczność usuwania zmętnienia. Połączone procesy oczyszczania elektrokoagulacji wykazały znacznie zwiększoną wydajność w usuwaniu zanieczyszczeń ze ścieków przemysłowych. Integracja etapu wytwarzania wolnych rodników, takich jak kawitacja ultradźwiękowa z elektrokoagulacją, wykazuje synergię i ulepszenia w całym procesie czyszczenia. Celem zastosowania tych ultradźwiękowo-elektrolitycznych systemów hybrydowych jest zwiększenie ogólnej wydajności oczyszczania i wyeliminowanie wad konwencjonalnych procesów oczyszczania. Wykazano, że hybrydowe reaktory ultradźwiękowo-elektrokoagulacyjne inaktywują bakterie Escherichia coli w wodzie.

Ultradźwiękowy UIP2000hdT (2000 W, 20 kHz) jako sono-katoda i/lub sono-anoda w zbiorniku

Sonoelektrolityczne wytwarzanie in situ odczynników lub reagentów

Wiele procesów chemicznych, takich jak reakcje heterogeniczne lub kataliza, korzysta z mieszania ultradźwiękowego i kawitacji ultradźwiękowej. Wpływ sonochemiczny może zwiększyć szybkość reakcji lub poprawić wydajność konwersji.
Elektrody mieszane ultradźwiękowo dodają nowe potężne narzędzie do reakcji chemicznych. Teraz można połączyć zalety sonochemii z elektrolizą. Wytwarzanie wodoru, jonów wodorotlenkowych, podchlorynu i wielu innych jonów lub materiałów neutralnych bezpośrednio w polu kawitacji ultradźwiękowej. Produkty elektrolizy mogą działać jako odczynniki lub jako reagenty w 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 połączona obróbka (PEF-US) wytworzyła najwyższe poziomy całkowitej zawartości fenoli, całkowitych flawonoidów, skondensowanych garbników, zawartości antocyjanów i aktywności przeciwutleniającej. 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 fermentacji poprzez poprawę transferu masy i przepuszczalności komórek.
Połączenie pulsacyjnego pola elektrycznego i obróbki ultradźwiękowej ma wpływ na kinetykę suszenia powietrzem i jakość suszonych warzyw, takich jak marchew. Czas suszenia można skrócić o 20 do 40%, zachowując jednocześnie właściwości rehydratacyjne.

Sonoelektrochemia / Elektrochemia ultradźwiękowa

Dodanie ultradźwiękowo wzmocnionej elektrolizy w celu wytworzenia reagentów lub zużycia produktów reakcji chemicznych w celu przesunięcia końcowej równowagi reakcji chemicznej lub zmiany ścieżki reakcji chemicznej.

Sugerowana konfiguracja elektrod ultradźwiękowych

Innowacyjna konstrukcja sondy ultradźwiękowej zamienia standardową sonotrodę ultradźwiękową w elektrodę wibrującą ultradźwiękowo. Sprawia to, że ultradźwięki dla elektrod są bardziej dostępne, łatwiejsze do zintegrowania i łatwo skalowalne do poziomu produkcji. Inne konstrukcje mieszały elektrolit tylko między dwiema nieagitowanymi elektrodami. Wzorce cieniowania i propagacji fal ultradźwiękowych dają gorsze wyniki w porównaniu do bezpośredniego mieszania elektrod. Wibracje ultradźwiękowe można dodać odpowiednio do anod lub katod. Oczywiście w każdej chwili można zmienić napięcie i polaryzację elektrod. Elektrody Hielscher Ultrasonics są łatwe do modernizacji w istniejących konfiguracjach.

Uszczelnione ogniwa sonoelektrolityczne i reaktory elektrochemiczne

Dostępne jest uszczelnienie ciśnieniowe między sonotrodą ultradźwiękową (elektrodą) a zbiornikiem reaktora. Dlatego można obsługiwać ogniwo elektrolityczne pod ciśnieniem innym niż ciśnienie otoczenia. Połączenie ultradźwięków z ciśnieniem nazywane jest manosonikacją. Może to być interesujące, jeśli elektroliza wytwarza gazy, podczas pracy w wyższych temperaturach lub podczas pracy z lotnymi składnikami ciekłymi. Szczelnie zamknięty reaktor elektrochemiczny może pracować przy ciśnieniu powyżej lub poniżej ciśnienia otoczenia. Uszczelnienie między elektrodą ultradźwiękową a reaktorem może być wykonane jako przewodzące elektrycznie lub izolujące. To ostatnie rozwiązanie pozwala na wykorzystanie ścianek reaktora jako drugiej elektrody. Oczywiście reaktor może mieć porty wlotowe i wylotowe, aby działać jako reaktor przepływowy dla procesów ciągłych. Hielscher Ultrasonics oferuje różnorodne standardowe reaktory i płaszczowe komory przepływowe. Alternatywnie, można wybrać z szeregu adapterów, aby dopasować sonotrody Hielscher do reaktora elektrochemicznego.

Koncentryczny układ w reaktorze rurowym

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

temperatura

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

lepkość

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

Sonoelektroliza z prądem pulsującym

Prąd pulsujący na ultradźwiękowo mieszanych elektrodach powoduje powstawanie produktów innych niż prąd stały (DC). Na przykład prąd pulsujący może zwiększyć stosunek ozonu do tlenu wytwarzanego na anodzie w elektrolizie wodnego roztworu kwaśnego, np. rozcieńczonego kwasu siarkowego. Elektroliza etanolu prądem pulsującym wytwarza aldehyd zamiast przede wszystkim kwasu.

Sprzęt do elektrosonikacji

Firma Hielscher Ultrasonics opracowała specjalną modernizację sonoelektrochemiczną dla przetworników przemysłowych. Ulepszony przetwornik współpracuje z prawie wszystkimi typami sonotrod Hielscher.

Elektrody ultradźwiękowe (sonotrody)

Sonotrody są elektrycznie odizolowane od generatora ultradźwięków. W związku z tym sonotrodę ultradźwiękową można podłączyć do napięcia elektrycznego, aby działała jak elektroda. Standardowa szczelina izolacji elektrycznej między sonotrodami a stykiem uziemienia wynosi 2,5 mm. Dlatego do sonotrody można przyłożyć napięcie do 2500 V. Standardowe sonotrody są solidne i wykonane z tytanu. W związku z tym nie ma prawie żadnych ograniczeń dla prądu elektrody. Tytan wykazuje dobrą odporność na korozję w wielu elektrolitach alkalicznych lub kwaśnych. Możliwe są alternatywne materiały sonotrody, takie jak aluminium (Al), stal (Fe), stal nierdzewna, nikiel-chrom-molibden lub niob. Hielscher oferuje opłacalne sonotrody z anodą protektorową, np. wykonane z aluminium lub stali.

Generator ultradźwięków, zasilacz

Generator ultradźwięków nie wymaga żadnych modyfikacji i wykorzystuje standardowe gniazdko elektryczne z uziemieniem. Róg przetwornika i wszystkie zewnętrzne powierzchnie przetwornika i generatora są oczywiście podłączone do uziemienia gniazda zasilania. Sonotroda i element usztywniający są jedynymi częściami podłączonymi do napięcia elektrody. Ułatwia to projektowanie konfiguracji. Sonotrodę można podłączyć do prądu stałego (DC), pulsującego prądu stałego lub prądu przemiennego (AC). Elektrody ultradźwiękowe mogą pracować odpowiednio jako anody lub katody.

Sprzęt produkcyjny do procesów elektrosonikacji

Możesz użyć dowolnego urządzenia ultradźwiękowego Hielscher, takiego jak UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT lub UIP4000hdT, aby połączyć do 4000 watów mocy ultradźwiękowej z dowolną standardową sonotrodą lub kaskatrodą. Natężenie ultradźwięków na powierzchni sonotrody może wynosić od 1 wata do 100 watów na centymetr kwadratowy. Dostępne są różne geometrie sonotrody o amplitudach od 1 mikrona do 150 mikronów (wartość szczytowa). Częstotliwość ultradźwiękowa 20 kHz jest bardzo skuteczna w generowaniu kawitacji i strumieni akustycznych w elektrolicie. Urządzenia ultradźwiękowe Hielscher mogą pracować 24 godziny na dobę, siedem dni w tygodniu. Mogą pracować w sposób ciągły z pełną mocą wyjściową lub pulsować, np. w celu okresowego czyszczenia elektrod. Hielscher Ultrasonics może dostarczać elektrody ultradźwiękowe o mocy do 16 kilowatów (mieszanie mechaniczne) na pojedynczą elektrodę. Nie ma prawie żadnych ograniczeń co do mocy elektrycznej, którą można podłączyć do elektrod.

Jeszcze jedna rzecz: natrysk sonoelektrostatyczny

Hielscher Ultrasonics produkuje urządzenia do rozpylania, nebulizacji, rozpylania lub aerozolizacji cieczy. Ultradźwiękowa sonotroda natryskowa może nadać ciekłej mgle lub aerozolom ładunek dodatni. Łączy to natryskiwanie ultradźwiękowe z technologią natryskiwania elektrostatycznego, np. w procesach powlekania.