Sono-Elektrochemia i jej zalety

Dlaczego stosowanie ultradźwięków w elektrochemii?

Połączenie fal ultradźwiękowych o niskiej częstotliwości i wysokiej intensywności z systemami elektrochemicznymi ma wiele zalet, które poprawiają efektywność i szybkość konwersji reakcji elektrochemicznych.

Zasada działania ultradźwięków (ang. Working Principle of Ultrasonics)

Do wysokowydajnej obróbki ultradźwiękowej, ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości są generowane przez generator ultradźwięków i przekazywane za pomocą sondy ultradźwiękowej (sonotrode) do cieczy. Ultradźwięki o wysokiej mocy są uznawane za ultradźwięki w zakresie 16-30kHz. Sonda ultradźwiękowa rozszerza się i kurczy np. przy częstotliwości 20kHz, przekazując do ośrodka odpowiednio 20.000 drgań na sekundę. Kiedy fale ultradźwiękowe przechodzą przez ciecz, naprzemienne cykle wysokiego (kompresja) / niskiego ciśnienia (rzadkość lub rozprężenie) tworzą miniaturowe pęcherzyki próżniowe lub wgłębienia, które rosną przez kilka cykli ciśnieniowych. Podczas fazy ściskania cieczy i pęcherzyków, ciśnienie jest dodatnie, podczas gdy faza rzadkości wytwarza próżnię (podciśnienie). Podczas cykli sprężania i rozprężania, wgłębienia w cieczy rosną aż do osiągnięcia wielkości, przy której nie mogą wchłonąć więcej energii. W tym momencie implodują one gwałtownie. W wyniku implozji tych ubytków powstają różne efekty wysokoenergetyczne, znane jako zjawisko kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej. Kawitacja akustyczna charakteryzuje się wieloma efektami wysokoenergetycznymi, które uderzają w ciecze, układy stałe/ciekłe oraz gaz/ciecz. Strefa energetycznie gęsta lub kawitacyjna jest znana jako tzw. strefa hot-spot, która jest najbardziej energochłonna w bliskim sąsiedztwie sondy ultradźwiękowej i zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości od sondy. Głównymi cechami kawitacji ultradźwiękowej są występujące lokalnie bardzo wysokie temperatury i ciśnienia oraz odpowiednie dyferencjały, turbulencje i strumienie cieczy. Podczas implozji kawitacji ultradźwiękowej w ultradźwiękowych gorących miejscach można mierzyć temperatury do 5000 Kelvinów, ciśnienia do 200 atmosfer i strumienie cieczy o prędkości do 1000 km/h. Te wyjątkowe warunki energochłonne przyczyniają się do efektów sonomechanicznych i sonochemicznych, które na różne sposoby intensyfikują układy elektrochemiczne.

Wpływ ultradźwięków na systemy elektrochemiczne

Zastosowanie ultradźwięków do reakcji elektrochemicznych jest znane z różnego rodzaju oddziaływania na elektrody, tj. anody i katody, a także roztworu elektrolitycznego. Kawitacja ultradźwiękowa i strumień akustyczny generują znaczne mikroruchy, uderzając strumieniami cieczy i mieszając się z cieczą reakcyjną. Powoduje to poprawę hydrodynamiki i ruchu mieszaniny cieczy i ciała stałego. Kawitacja ultradźwiękowa zmniejsza efektywną grubość warstwy dyfuzyjnej przy elektrodzie. Zmniejszona warstwa dyfuzyjna oznacza, że sonikacja minimalizuje różnicę stężeń, co oznacza, że zbieżność stężeń w pobliżu elektrody i wartość stężenia w roztworze sypkim są promowane ultradźwiękowo. Wpływ mieszania ultradźwiękowego na gradienty stężeń podczas reakcji zapewnia stałe podawanie świeżego roztworu do elektrody i odtransportowanie reagowanego materiału. Oznacza to, że ultradźwięki poprawiają ogólną kinetykę przyspieszając szybkość reakcji i zwiększając wydajność reakcji.
Poprzez wprowadzenie do układu energii ultradźwiękowej oraz sonochemiczne tworzenie wolnych rodników, można zainicjować reakcję elektrochemiczną, która w przeciwnym razie byłaby elektroinaktywna. Innym ważnym efektem drgań akustycznych i strumieniowania jest efekt czyszczenia powierzchni elektrody. Pasywacyjne warstwy i zabrudzenia na elektrodach ograniczają efektywność i szybkość reakcji elektrochemicznych. Ultradźwięki utrzymują elektrody stale czyste i w pełni aktywne dla reakcji.Ultrasonication jest znany z efektów odgazowywania, które są korzystne również w reakcjach elektrochemicznych. Usuwanie niepożądanych gazów z cieczy, reakcja może przebiegać skuteczniej.

Zastosowania sonoelektrochemii

Sonoelektrochemia może być stosowana w różnych procesach i w różnych gałęziach przemysłu. Bardzo popularne zastosowania sonoelektrochemii obejmują następujące zagadnienia:

• Synteza nanocząsteczek (elektrosynteza)
• Synteza wodoru
• Elektrokoagulacja
• Oczyszczanie ścieków
• Łamanie emulsji
• Powłoki galwaniczne/elektrodepozycja

Sono-Elektrochemiczna synteza nanocząstek

Ultrasonizacja została z powodzeniem zastosowana do syntezy różnych nanocząstek w układzie elektrochemicznym. Za pomocą sonoelektrochemii otrzymano nanocząstki magnetytu, kadmu-selenu (CdSe), platyny (NPs), złota (NPs), magnezu metalicznego, bizmutenu, nanosrebra, ultra-drobnej miedzi, nanocząstek stopu wolfram-kobalt (W-Co), nanokompozytu samarii/tlenku grafenu o obniżonej zawartości grafenu, sub-1nm nanocząstek miedzi z pułapką poli(kwasu akrylowego) i wielu innych proszków o innych rozmiarach.
Zalety syntezy nanocząsteczek sonoelektrochemicznych obejmują

• unikanie stosowania środków redukujących i środków powierzchniowo czynnych
• wykorzystanie wody jako rozpuszczalnika
• regulacja wielkości nanocząstek za pomocą różnych parametrów (moc ultradźwiękowa, gęstość prądu, potencjał osadzania oraz czas trwania impulsu ultradźwiękowego i elektrochemicznego)

Ashasssi-Sorkhabi i Bagheri (2014) zsyntetyzowali sonoelektrochemicznie filmy polipirolowe i porównali wyniki do elektrochemicznie zsyntetyzowanych filmów polipirolowych. Wyniki wskazują, że w wyniku galwanostatycznego osadzania sonoelektrolu powstała silnie przylegająca i gładka folia polipirolu (PPy) na stali, o gęstości prądu 4 mA cm-2 w 0,1 M roztworze kwasu szczawiowego/0,1 M pirolu. W wyniku polimeryzacji sonoelektrochemicznej uzyskano wysokorezystancyjne i wytrzymałe folie PPy o gładkiej powierzchni. Wykazano, że powłoki z PPy przygotowane w technice sonoelektrochemicznej zapewniają znaczną ochronę antykorozyjną stali St-12. Zsyntetyzowana powłoka była jednolita i charakteryzowała się wysoką odpornością na korozję. Wszystkie te wyniki można przypisać temu, że ultradźwięki wzmocniły przenoszenie masy reaktorów i spowodowały wysokie szybkości reakcji chemicznych poprzez kawitację akustyczną oraz wynikające z tego wysokie temperatury i ciśnienia. Ważność danych o impedancji dla interfejsu stal/dwie powłoki PPy/nośniki korozyjne sprawdzono za pomocą transformatorów KK i zaobserwowano niewielkie błędy średnie.

Hass i Gedanken (2008) poinformowali o udanej syntezie sono-elektrochemicznej nanocząsteczek magnezu metalicznego. Efektywność w procesie sonoelektrochemicznym odczynnika Gringarda w tetrahydrofuranie (THF) lub w roztworze dibutyldiglymu wynosiła odpowiednio 41,35% i 33,08%. Dodanie AlCl3 do roztworu Gringarda znacznie zwiększyło wydajność, podnosząc ją odpowiednio do 82,70% i 51,69% w THF lub w roztworze dibutyldiglymu.

Sono-elektrochemiczna produkcja wodoru

Promieniowana ultradźwiękowo elektroliza znacznie zwiększa wydajność wodoru z wody lub roztworów alkalicznych. Kliknij tutaj aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowo przyspieszonej elektrolitycznej syntezie wodoru!

Elektrokoagulacja wspomagana ultradźwiękami

The application of low-frequency ultrasound to electrocoagulcation systems is known as sono-electrocoagulation. Studies show that sonication influences electrocoagulation positively resulting e.g., in higher removal efficiency of iron hydroxides from wastewater. The positive impact of ultrasonics on electrocoagulation is explained by the reduction of electrode passivation. Low-frequency, high-intensity ultrasound destructs deposited solid layer and removes them efficiently, thereby keeping the electrodes continuously fully active. Furthermore, ultrasonics activates both ion types, i.e. cations and anions, present in the electrodes reaction zone. Ultrasonic agitation results in high micro-movement of the solution feeding and carrying away raw material and product to and from the electrodes.
Przykładami udanych procesów elektrokoagulacji sonicznej są: redukcja Cr(VI) do Cr(III) w ściekach farmaceutycznych, usunięcie całkowitego fosforu ze ścieków przemysłu chemicznego z wydajnością usuwania fosforu wynoszącą 99,5% w ciągu 10 minut, usuwanie koloru i ChZT ze ścieków przemysłu celulozowo-papierniczego itp. Podane sprawności usuwania koloru, ChZT, Cr(VI), Cu(II) i P wynosiły odpowiednio 100%, 95%, 100%, 97.3% i 99.84%. (por. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-Elektrochemiczna Degradacja Zanieczyszczeń

Promowane ultradźwiękami reakcje elektrochemicznego utleniania i/lub redukcji są stosowane jako skuteczna metoda rozkładu zanieczyszczeń chemicznych. Mechanizmy sonomechaniczne i sonochemiczne sprzyjają elektrochemicznemu rozkładowi zanieczyszczeń. Kawitacja generowana ultradźwiękami powoduje intensywne wzburzenie, mikromieszanie, przenoszenie masy i usuwanie warstw pasywacyjnych z elektrod. Te efekty kawitacyjne powodują przede wszystkim zwiększenie transferu masy ciała stałego i ciekłego pomiędzy elektrodami a roztworem. Efekty sonochemiczne mają bezpośredni wpływ na cząsteczki. Homolityczne rozszczepienie cząsteczek powoduje powstawanie wysoce reaktywnych utleniaczy. W mediach wodnych i w obecności tlenu powstają rodniki takie jak HO-, HO2- i O-. -Znane jest, że rodniki OH są ważne dla efektywnego rozkładu materiałów organicznych. Ogólnie rzecz biorąc, rozkład sono-elektrochemiczny wykazuje wysoką wydajność i jest odpowiedni do oczyszczania dużych ilości ścieków i innych zanieczyszczonych cieczy.
Na przykład, Lllanos i in. (2016) stwierdzili, że znaczący efekt synergiczny uzyskano w przypadku dezynfekcji wody, gdy układ elektrochemiczny został wzmocniony przez sonizację (dezynfekcja sono-elektrochemiczna). Stwierdzono, że wzrost tempa dezynfekcji związany jest z tłumieniem aggolomeratów komórek E. coli oraz zwiększoną produkcją gatunków środków dezynfekcyjnych. Esclapez i in. (2010) wykazali, że specjalnie zaprojektowany reaktor sonoelektrochemiczny (jednak nie zoptymalizowany) został zastosowany podczas skalowania degradacji kwasu trichlorooctowego (TCAA), obecność pola ultradźwiękowego generowanego przy UIP1000hd dała lepsze wyniki (konwersja frakcyjna 97%, sprawność degradacji 26%, selektywność 0,92 i sprawność prądowa 8%) przy niższych natężeniach ultradźwięków i przepływie objętościowym. Biorąc pod uwagę fakt, że reaktor sonoelektrochemiczny typu pre-pilot nie został jeszcze zoptymalizowany, jest bardzo prawdopodobne, że wyniki te mogą zostać jeszcze bardziej poprawione.

Ultradźwiękowa woltamperometria i elektrodepozycja

Elektrodepozycję prowadzono galwanostatycznie przy gęstości prądu 15 mA/cm2. Roztwory przed elektrodepozycją poddawano ultrasonizacji przez 5-60 minut. A Hielscher Ultrasonograf UP200S typu sonda był używany w czasie cyklu 0,5. Ultrasonizację uzyskano poprzez bezpośrednie zanurzenie sondy ultradźwiękowej w roztworze. Do oceny wpływu ultradźwięków na roztwór przed elektrodepozycją zastosowano cykliczną woltamperometrię (CV), która ujawnia zachowanie roztworu i pozwala przewidzieć idealne warunki dla elektrodepozycji. Zaobserwowano, że gdy roztwór jest poddawany działaniu ultradźwięków przed elektrodepozycją, osadzanie rozpoczyna się przy mniej ujemnych wartościach potencjału. Oznacza to, że przy tym samym prądzie w roztworze wymagany jest mniejszy potencjał, ponieważ gatunki w roztworze zachowują się bardziej aktywnie niż w nieultrasonikowanych. (por. Yurdal & Karahan 2017)

Wysokowydajne sondy elektrochemiczne i reaktory monoelektryczne

Firma Hielscher Ultrasonics jest Państwa długoletnim, doświadczonym partnerem w zakresie wysokowydajnych systemów ultradźwiękowych. Produkujemy i dystrybuujemy najnowocześniejsze sondy i reaktory ultradźwiękowe, które są wykorzystywane na całym świecie do zastosowań w trudnych warunkach pracy w wymagających środowiskach. Dla potrzeb sonoelektrochemii firma Hielscher opracowała specjalne sondy ultradźwiękowe, które mogą pełnić funkcję katody i/lub anody, a także ultradźwiękowe ogniwa reaktora odpowiednie do reakcji elektrochemicznych. Elektrody i ogniwa ultradźwiękowe są dostępne dla systemów galwanicznych / woltowych, jak również elektrolitycznych.

Precyzyjnie regulowane amplitudy dla uzyskania optymalnych wyników

Wszystkie procesory ultradźwiękowe Hielscher są precyzyjnie sterowane, a tym samym niezawodne konie robocze w R&D i produkcja. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu, który wpływa na efektywność i skuteczność reakcji wywołanych sonochemicznie i sonomechanicznie. Wszystkie ultradźwięki Hielscher Ultrasonics’ Procesory pozwalają na precyzyjne ustawienie amplitudy. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher mogą dostarczać bardzo duże amplitudy i zapewnić wymaganą intensywność ultradźwiękową dla wymagających zastosowań sono-elektrochamicznych. Amplitudy do 200µm można z łatwością pracować w trybie ciągłym w trybie 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania dają możliwość precyzyjnego wpływania na reakcję sonoelektrochemiczną. Podczas każdego przebiegu sonacji wszystkie parametry ultradźwiękowe są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD, dzięki czemu każdy przebieg może być analizowany i kontrolowany. Optymalna sonikacja dla najbardziej efektywnych reakcji sonoelektrochemicznych!
Wszystkie urządzenia są przystosowane do pracy w trybie 24/7/365 przy pełnym obciążeniu, a ich solidność i niezawodność czynią je końmi roboczymi w Twoim procesie elektrochemicznym. To sprawia, że urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher są niezawodnym narzędziem pracy, które spełnia wymagania procesów elektrochemicznych.

Najwyższa jakość – Zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech

Jako firma rodzinna i prowadzona przez rodzinę, Hielscher stawia na najwyższą jakość swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie ultradźwięki są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow koło Berlina w Niemczech. Solidność i niezawodność urządzeń ultradźwiękowych firmy Hielscher czyni z nich konia roboczego w Państwa produkcji. Praca 24/7 przy pełnym obciążeniu i w wymagających środowiskach jest naturalną cechą charakterystyczną wysokowydajnych sond ultradźwiękowych i reaktorów firmy Hielscher.

Skontaktuj się z nami teraz i opowiedz nam o swoich wymaganiach dotyczących procesów elektrochemicznych! Polecamy Państwu najbardziej odpowiednie elektrody ultradźwiękowe i konfigurację reaktora!