Sonoelektrochemia i jej zalety

Tutaj znajdziesz wszystko, co musisz wiedzieć o elektrochemii ultradźwiękowej (sonoelektrochemii): zasadę działania, zastosowania, zalety i sprzęt sonoelektrochemiczny. – Wszystkie istotne informacje na temat sonoelektrochemii na jednej stronie.

Dlaczego warto stosować ultradźwięki w elektrochemii?

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

Zasada działania ultradźwięków

W przypadku wysokowydajnego przetwarzania ultradźwiękowego ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości są generowane przez generator ultradźwięków i przesyłane przez sondę ultradźwiękową (sonotrodę) do cieczy. Ultradźwięki o dużej mocy są uważane za ultradźwięki w zakresie 16-30 kHz. Sonda ultradźwiękowa rozszerza się i kurczy np. przy częstotliwości 20 kHz, przenosząc w ten sposób odpowiednio 20 000 drgań na sekundę do medium. Gdy fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez ciecz, naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) / niskiego ciśnienia (rozrzedzenie lub ekspansja) tworzą drobne pęcherzyki próżniowe lub wnęki, które rosną w ciągu kilku cykli ciśnienia. Podczas fazy sprężania cieczy i pęcherzyków, ciśnienie jest dodatnie, podczas gdy faza rozrzedzania wytwarza próżnię (podciśnienie). Podczas cykli sprężania-rozszerzania, wnęki w cieczy rosną, aż osiągną rozmiar, przy którym nie mogą pochłaniać więcej energii. W tym momencie następuje gwałtowna implozja. Implozja tych wnęk powoduje różne wysoce energetyczne efekty, które są znane jako zjawisko kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej. Kawitacja akustyczna charakteryzuje się wieloma wysoce energetycznymi efektami, które wpływają na ciecze, układy ciało stałe/ciecz, a także układy gaz/ciecz. Strefa o dużej gęstości energii lub strefa kawitacyjna jest znana jako tak zwana strefa gorącego punktu, która jest najbardziej gęsta energetycznie w bliskim sąsiedztwie sondy ultradźwiękowej i maleje wraz ze wzrostem odległości od sonotrody. Główne cechy kawitacji ultradźwiękowej obejmują lokalnie występujące bardzo wysokie temperatury i ciśnienia oraz odpowiednie różnice, turbulencje i strumienie cieczy. Podczas implozji wnęk ultradźwiękowych w ultradźwiękowych hot-spotach można zmierzyć temperatury do 5000 kelwinów, ciśnienia do 200 atmosfer i strumienie cieczy o prędkości do 1000 km / h. Te wyjątkowe warunki intensywnej energii przyczyniają się do efektów sonomechanicznych i sonochemicznych, które na różne sposoby intensyfikują systemy elektrochemiczne.

Wpływ ultradźwięków na układy elektrochemiczne

Zastosowanie ultradźwięków do reakcji elektrochemicznych jest znane z różnych efektów na elektrodach, tj. anodzie i katodzie, a także roztworze elektrolitycznym. Kawitacja ultradźwiękowa i strumienie akustyczne generują znaczące mikroruchy, uderzając strumienie cieczy i mieszając płyn reakcyjny. Skutkuje to poprawą hydrodynamiki i ruchu mieszaniny cieczy i ciała stałego. Kawitacja ultradźwiękowa zmniejsza efektywną grubość warstwy dyfuzyjnej na elektrodzie. Zmniejszona warstwa dyfuzyjna oznacza, że sonikacja minimalizuje różnicę stężeń, co oznacza, że zbieżność stężenia w pobliżu elektrody i wartość stężenia w roztworze masowym są promowane ultradźwiękowo. Wpływ mieszania ultradźwiękowego na gradienty stężeń podczas reakcji zapewnia stałe podawanie świeżego roztworu do elektrody i odprowadzanie reagującego materiału. Oznacza to, że sonikacja poprawiła ogólną kinetykę, przyspieszając szybkość reakcji i zwiększając wydajność reakcji.
Poprzez wprowadzenie energii ultradźwiękowej do systemu, jak również sonochemiczne tworzenie wolnych rodników, można zainicjować reakcję elektrochemiczną, która w przeciwnym razie byłaby elektroaktywna. Innym ważnym efektem wibracji akustycznych i strumieniowania jest efekt czyszczenia powierzchni elektrod. Warstwy pasywacyjne i zanieczyszczenia na elektrodach ograniczają wydajność i szybkość reakcji reakcji elektrochemicznych. Ultradźwięki utrzymują elektrody trwale czyste i w pełni aktywne do reakcji.Ultradźwięki są dobrze znane ze swoich efektów odgazowywania, które są korzystne również w reakcjach elektrochemicznych. Usuwając niepożądane gazy z cieczy, reakcja może przebiegać bardziej efektywnie.

Zastosowania sonoelektrochemii

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

• Synteza nanocząstek (elektrosynteza)
• synteza wodoru
• elektrokoagulacja
• Oczyszczanie ścieków
• Rozbijanie emulsji
• Galwanizacja / Elektrodepozycja

Sonoelektrochemiczna synteza nanocząstek

Ultradźwięki z powodzeniem zastosowano do syntezy różnych nanocząstek w układzie elektrochemicznym. Magnetyt, nanorurki kadmowo-selenowe (CdSe), nanocząstki platyny (NPs), nanocząstki złota, metaliczny magnez, bizmut, nanosrebro, ultradrobna miedź, nanocząstki stopu wolfram-kobalt (W-Co), nanokompozyt samaria / zredukowany tlenek grafenu, sub-1nm poli (kwas akrylowy) -kapsulowane nanocząstki miedzi i wiele innych nano-wielkości proszków zostały z powodzeniem wyprodukowane przy użyciu sonoelektrochemii.
Zalety sonoelektrochemicznej syntezy nanocząstek obejmują

• unikanie środków redukujących i powierzchniowo czynnych
• wykorzystanie wody jako rozpuszczalnika
• regulacja wielkości nanocząstek poprzez zmianę parametrów (moc ultradźwięków, gęstość prądu, potencjał osadzania i czas impulsu ultradźwiękowego vs elektrochemicznego)

Ashasssi-Sorkhabi i Bagheri (2014) zsyntetyzowali sonoelektrochemicznie warstwy polipirolu i porównali wyniki z elektrochemicznie zsyntetyzowanymi warstwami polipirolu. Wyniki pokazują, że galwanostatyczna sonoelektrodepozycja wytworzyła silnie przylegającą i gładką warstwę polipirolu (PPy) na stali, o gęstości prądu 4 mA cm-2 w 0,1 M roztworze kwasu szczawiowego/0,1 M roztworze pirolu. Stosując polimeryzację sonoelektrochemiczną, uzyskano wysokoodporne i wytrzymałe powłoki PPy o gładkiej powierzchni. Wykazano, że powłoki PPy przygotowane metodą sonoelektrochemiczną zapewniają znaczną ochronę antykorozyjną stali St-12. Zsyntetyzowana powłoka była jednorodna i wykazywała wysoką odporność na korozję. Wszystkie te wyniki można przypisać faktowi, że ultradźwięki zwiększyły przenoszenie masy reagentów i spowodowały wysokie szybkości reakcji chemicznych poprzez kawitację akustyczną i wynikające z tego wysokie temperatury i ciśnienia. Poprawność danych impedancji dla interfejsu stal St-12 / dwie powłoki PPy / media korozyjne sprawdzono za pomocą transformaty KK i zaobserwowano niskie średnie błędy.

Hass i Gedanken (2008) opisali udaną sonoelektrochemiczną syntezę metalicznych nanocząstek magnezu. Wydajności w procesie sonoelektrochemicznym odczynnika Gringarda w tetrahydrofuranie (THF) lub w roztworze dibutylodiglymu wynosiły 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 dibutyldiglicymie.

Sonoelektrochemiczna produkcja wodoru

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

Elektrokoagulacja wspomagana ultradźwiękami

Zastosowanie ultradźwięków o niskiej częstotliwości do systemów elektrokoagulacji jest znane jako sono-elektrokoagulacja. Badania pokazują, że ultradźwięki pozytywnie wpływają na elektrokoagulację, powodując np. wyższą skuteczność usuwania wodorotlenków żelaza ze ścieków. Pozytywny wpływ ultradźwięków na elektrokoagulację tłumaczy się zmniejszeniem pasywacji elektrody. Ultradźwięki o niskiej częstotliwości i wysokiej intensywności niszczą osadzoną warstwę stałą i skutecznie ją usuwają, utrzymując w ten sposób elektrody w ciągłej pełnej aktywności. Ponadto ultradźwięki aktywują oba typy jonów, tj. kationy i aniony, obecne w strefie reakcji elektrod. Mieszanie ultradźwiękowe powoduje wysokie mikroruchy roztworu zasilającego i odprowadzającego surowiec i produkt do i z elektrod.
Przykładami udanych procesów sono-elektrokoagulacji są redukcja Cr(VI) do Cr(III) w ściekach farmaceutycznych, usuwanie fosforu całkowitego ze ścieków z przemysłu chemicznego z wydajnością usuwania fosforu wynoszącą 99,5% w ciągu 10 minut, usuwanie koloru i ChZT ze ścieków z przemysłu celulozowo-papierniczego itp. Zgłoszone skuteczności usuwania barwnika, ChZT, Cr(VI), Cu(II) i P wynosiły odpowiednio 100%, 95%, 100%, 97,3% i 99,84%. (por. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sonoelektrochemiczna degradacja zanieczyszczeń

Ultradźwiękowo promowane elektrochemiczne reakcje utleniania i / lub redukcji są stosowane jako skuteczna metoda degradacji zanieczyszczeń chemicznych. Mechanizmy sonomechaniczne i sonochemiczne promują elektrochemiczną degradację zanieczyszczeń. Kawitacja generowana ultradźwiękami powoduje intensywne mieszanie, mikromieszanie, przenoszenie masy i usuwanie warstw pasywujących z elektrod. Te efekty kawitacyjne skutkują głównie zwiększeniem transferu masy ciało stałe-ciecz między elektrodami a roztworem. Efekty sonochemiczne mają bezpośredni wpływ na cząsteczki. Homolityczne rozszczepienie cząsteczek tworzy wysoce reaktywne utleniacze. W środowisku wodnym i w obecności tlenu powstają rodniki takie jak HO-, HO2- i O-. Wiadomo, że rodniki -OH są ważne dla wydajnego rozkładu materiałów organicznych. Ogólnie rzecz biorąc, degradacja sonoelektrochemiczna wykazuje wysoką wydajność i nadaje się do oczyszczania dużych ilości ścieków i innych zanieczyszczonych cieczy.
Na przykład Lllanos et al. (2016) stwierdzili, że znaczący efekt synergiczny uzyskano w przypadku dezynfekcji wody, gdy system elektrochemiczny został zintensyfikowany przez sonikację (dezynfekcja sonoelektrochemiczna). Stwierdzono, że ten wzrost szybkości dezynfekcji jest związany z tłumieniem agregatów komórek E. coli, a także zwiększoną produkcją gatunków dezynfekujących. Esclapez et al. (2010) wykazali, że specjalnie zaprojektowany reaktor sonoelektrochemiczny (jednak nie zoptymalizowany) został użyty podczas zwiększania skali degradacji kwasu trichlorooctowego (TCAA), obecność pola ultradźwiękowego generowanego za pomocą UIP1000hd zapewniła lepsze wyniki (konwersja frakcyjna 97%, wydajność degradacji 26%, selektywność 0,92 i wydajność prądowa 8%) przy niższych intensywnościach ultradźwięków i przepływie objętościowym. Biorąc pod uwagę fakt, że wstępnie pilotażowy reaktor sonoelektrochemiczny nie został jeszcze zoptymalizowany, jest bardzo prawdopodobne, że wyniki te można jeszcze bardziej poprawić.

Woltamperometria ultradźwiękowa i elektroosadzanie

Elektroosadzanie przeprowadzono galwanostatycznie przy gęstości prądu 15 mA/cm2. Roztwory poddawano działaniu ultradźwięków przed elektrodepozycją przez 5-60 minut. Hielscher Ultradźwiękowiec z sondą UP200S zastosowano przy czasie cyklu 0,5. Ultradźwięki uzyskano poprzez bezpośrednie zanurzenie sondy ultradźwiękowej w roztworze. Aby ocenić wpływ ultradźwięków na roztwór przed elektrodepozycją, zastosowano woltamperometrię cykliczną (CV) w celu ujawnienia zachowania roztworu i umożliwienia przewidywania idealnych warunków do elektrodepozycji. Zaobserwowano, że gdy roztwór jest poddawany ultradźwiękom 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 roztworach nie poddanych działaniu ultradźwięków. (por. Yurdal & Karahan 2017)

Wysokowydajne sondy elektrochemiczne i sonoelektroreaktory

Hielscher Ultrasonics to doświadczony partner w zakresie wysokowydajnych systemów ultradźwiękowych. Produkujemy i dystrybuujemy najnowocześniejsze sondy ultradźwiękowe i reaktory, które są używane na całym świecie do ciężkich zastosowań w wymagających środowiskach. Na potrzeby sonoelektrochemii firma Hielscher opracowała specjalne sondy ultradźwiękowe, które mogą działać jako katoda i/lub anoda, a także ultradźwiękowe ogniwa reakcyjne odpowiednie do reakcji elektrochemicznych. Elektrody ultradźwiękowe i ogniwa są dostępne dla systemów galwanicznych / woltaicznych, jak również elektrolitycznych.

Precyzyjnie kontrolowane amplitudy dla optymalnych wyników

Wszystkie procesory ultradźwiękowe Hielscher są precyzyjnie sterowane, a tym samym niezawodne w R&D i produkcji. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu, które wpływają na wydajność i skuteczność reakcji sonochemicznych i sonomechanicznych. Wszystkie Hielscher Ultrasonics’ pozwalają na precyzyjne ustawienie amplitudy. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy i zapewniać wymaganą intensywność ultradźwięków w wymagających zastosowaniach sono-elektrochamicznych. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane 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 sonikacji wszystkie parametry ultradźwiękowe są automatycznie rejestrowane na wbudowanej karcie SD, dzięki czemu każdy przebieg może być oceniany i kontrolowany. Optymalna sonikacja dla najbardziej wydajnych reakcji sonoelektrochemicznych!
Wszystkie urządzenia są przeznaczone do pracy w trybie 24/7/365 pod pełnym obciążeniem, a ich solidność i niezawodność sprawiają, że jest to koń roboczy w procesie elektrochemicznym. Dzięki temu sprzęt ultradźwiękowy firmy Hielscher jest niezawodnym narzędziem pracy, które spełnia wymagania procesu sonoelektrochemicznego.

Najwyższa jakość – Zaprojektowany i wyprodukowany w Niemczech

Jako firma rodzinna, Hielscher priorytetowo traktuje najwyższe standardy jakości dla swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie ultradźwięki są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow koło Berlina w Niemczech. Solidność i niezawodność sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher sprawiają, że jest to koń roboczy w Twojej produkcji. Praca 24/7 pod pełnym obciążeniem i w wymagających środowiskach jest naturalną cechą wysokowydajnych sond ultradźwiękowych i reaktorów firmy Hielscher.

Skontaktuj się z nami już teraz i opowiedz nam o swoich wymaganiach dotyczących procesu elektrochemicznego! Polecimy Ci najbardziej odpowiednie elektrody ultradźwiękowe i konfigurację reaktora!