Sonoelektrochemia i jej zalety

Tutaj znajdziesz wszystko, co trzeba wiedzieć o elektrochemii ultradźwiękowej (sonoelektrochemii): zasadę działania, zastosowania, zalety i urządzenia sonoelektrochemiczne – wszystkie istotne informacje o sonoelektrochemii na jednej stronie.

Dlaczego warto stosować ultradźwięki w elektrochemii?

Połączenie fal ultradźwiękowych o niskiej częstotliwości i wysokiej intensywności z układami elektrochemicznymi przynosi liczne korzyści, które poprawiają efektywność i szybkość konwersji reakcji elektrochemicznych.

Zasada działania ultradźwięków

Do wysokowydajnego przetwarzania ultradźwiękowego generator ultradźwięków wytwarza ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości, które są przekazywane do cieczy za pomocą sondy ultradźwiękowej (sonotrody). Za ultradźwięki o dużej mocy uważa się ultradźwięki w zakresie 16–30kHz. Sonda ultradźwiękowa rozszerza się i kurczy np. przy 20kHz, przekazując tym samym do ośrodka 20 000 drgań na sekundę. Gdy fale ultradźwiękowe rozchodzą się w cieczy, naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (sprężania) / niskiego ciśnienia (rozrzedzania lub rozprężania) tworzą drobne pęcherzyki próżniowe lub kawerny, które rosną przez kilka cykli ciśnienia. Podczas fazy sprężania cieczy i pęcherzyków ciśnienie jest dodatnie, natomiast faza rozrzedzania wytwarza próżnię (ciśnienie ujemne). Podczas cykli sprężania i rozprężania kawerny w cieczy rosną, aż osiągną rozmiar, przy którym nie mogą pochłaniać więcej energii. W tym momencie gwałtownie implodują. Implozja tych kawern powoduje różne wysokoenergetyczne efekty, znane jako zjawisko kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej. Kawitacja akustyczna charakteryzuje się licznymi wysokoenergetycznymi efektami, które oddziałują na ciecze, układy ciało stałe/ciecz oraz układy gaz/ciecz. Strefa o dużej gęstości energii, czyli strefa kawitacyjna, jest określana jako strefa tzw. gorących punktów; gęstość energii jest w niej największa w bezpośrednim sąsiedztwie sondy ultradźwiękowej i maleje wraz ze wzrostem odległości od sonotrody. Główne cechy kawitacji ultradźwiękowej obejmują występujące lokalnie bardzo wysokie temperatury i ciśnienia oraz odpowiadające im różnice, turbulencje i przepływ cieczy. Podczas implozji kawern ultradźwiękowych w ultradźwiękowych gorących punktach można zmierzyć temperatury do 5000 kelwinów, ciśnienia do 200 atmosfer oraz strumienie cieczy o prędkości do 1000km/h. Te wyjątkowe warunki o wysokiej intensywności energetycznej przyczyniają się do efektów sonomechanicznych i sonochemicznych, które na różne sposoby intensyfikują działanie układów elektrochemicznych.

Wpływ ultradźwięków na układy elektrochemiczne

Zastosowanie sonikacji do reakcji elektrochemicznych jest znane z różnorodnego wpływu na elektrody, tj. anodę i katodę, a także na roztwór elektrolitu. Kawitacja ultradźwiękowa i przepływ akustyczny wywołują znaczne mikroruchy, uderzające strumienie cieczy i mieszanie płynu reakcyjnego. Poprawia to hydrodynamikę i ruch mieszaniny cieczy i ciała stałego. Kawitacja ultradźwiękowa zmniejsza efektywną grubość warstwy dyfuzyjnej przy elektrodzie. Zmniejszona grubość warstwy dyfuzyjnej oznacza, że sonikacja minimalizuje różnicę stężeń, czyli ultradźwięki sprzyjają zbliżeniu stężenia w pobliżu elektrody do wartości stężenia w objętości roztworu. Wpływ mieszania ultradźwiękowego na gradienty stężenia podczas reakcji zapewnia stałe doprowadzanie świeżego roztworu do elektrody i odprowadzanie materiału po reakcji. Oznacza to, że sonikacja poprawiła ogólną kinetykę, przyspieszając reakcję i zwiększając jej wydajność.
Wprowadzenie energii ultradźwiękowej do układu oraz sonochemiczne tworzenie wolnych rodników mogą zainicjować reakcję elektrochemiczną, która w przeciwnym razie byłaby elektrochemicznie nieaktywna. Innym ważnym efektem drgań i przepływu akustycznego jest oczyszczanie powierzchni elektrod. Warstwy pasywacyjne i osady na elektrodach ograniczają efektywność i szybkość reakcji elektrochemicznych. Sonikacja utrzymuje elektrody stale czyste i w pełni aktywne w reakcji. Sonikacja jest dobrze znana z efektów odgazowywania, które są korzystne również w reakcjach elektrochemicznych. Dzięki usuwaniu niepożądanych gazów z cieczy reakcja może przebiegać efektywniej.

Zastosowania sonoelektrochemii

Sonoelektrochemię można stosować w różnych procesach i branżach. Do bardzo powszechnych zastosowań sonoelektrochemii należą:

• Synteza nanocząstek (elektrosynteza)
• Synteza wodoru
• Elektrokoagulacja
• Oczyszczanie ścieków
• Rozbijanie emulsji
• Galwanizacja / elektroosadzanie
• Ogrzewanie omowe

Sonoelektrochemiczna synteza nanocząstek

Sonikację z powodzeniem zastosowano do syntezy różnych nanocząstek w układzie elektrochemicznym. Za pomocą sonoelektrochemii z powodzeniem wytworzono magnetyt, nanorurki kadmowo-selenowe (CdSe), nanocząstki platyny (NPs), NPs złota, metaliczny magnez, bizmuten, nanosrebro, ultradrobną miedź, nanocząstki stopu wolfram–kobalt (W–Co), nanokompozyt tlenku samaru i zredukowanego tlenku grafenu, nanocząstki miedzi o rozmiarze poniżej 1nm pokryte poli(kwasem akrylowym) oraz wiele innych proszków o rozmiarach nanometrycznych.
Zalety sonoelektrochemicznej syntezy nanocząstek obejmują

• unikanie stosowania środków redukujących i substancji powierzchniowo czynnych
• stosowanie wody jako rozpuszczalnika
• regulację wielkości nanocząstek poprzez zmianę parametrów (mocy ultradźwięków, gęstości prądu, potencjału osadzania oraz czasów impulsów ultradźwiękowych względem elektrochemicznych)

Ashasssi-Sorkhabi i Bagheri (2014) zsyntetyzowali warstwy polipirolu metodą sonoelektrochemiczną i porównali wyniki z warstwami polipirolu zsyntetyzowanymi elektrochemicznie. Wyniki pokazują, że galwanostatyczne sonoelektroosadzanie pozwoliło uzyskać silnie przylegającą i gładką warstwę polipirolu (PPy) na stali przy gęstości prądu 4 mA cm–2 w roztworze 0,1 M kwasu szczawiowego/0,1 M pirolu. Stosując polimeryzację sonoelektrochemiczną, uzyskali wytrzymałe warstwy PPy o wysokiej odporności i gładkiej powierzchni. Wykazano, że powłoki PPy przygotowane metodą sonoelektrochemiczną zapewniają znaczną ochronę stali St-12 przed korozją. Zsyntetyzowana powłoka była jednorodna i wykazywała wysoką odporność na korozję. Wszystkie te wyniki można przypisać temu, że ultradźwięki zwiększyły transport masy reagentów i spowodowały wysokie szybkości reakcji chemicznych poprzez kawitację akustyczną oraz wynikające z niej wysokie temperatury i ciśnienia. Poprawność danych impedancyjnych dla układu międzyfazowego stal St-12/dwie powłoki PPy/środowiska korozyjne sprawdzono za pomocą transformacji KK i zaobserwowano niskie średnie błędy.

Hass i Gedanken (2008) opisali udaną sonoelektrochemiczną syntezę nanocząstek metalicznego magnezu. Wydajności procesu sonoelektrochemicznego z użyciem odczynnika Gringarda w tetrahydrofuranie (THF) lub w roztworze dibutylodiglimu wynosiły odpowiednio 41,35% i 33,08%. Dodanie AlCl3 do roztworu Gringarda znacznie zwiększyło wydajność, podnosząc ją odpowiednio do 82,70% w THF i 51,69% w dibutylodiglimie.

Sonoelektrochemiczna produkcja wodoru

Elektroliza wspomagana ultradźwiękami znacznie zwiększa wydajność wytwarzania wodoru z wody lub roztworów alkalicznych. Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o elektrolitycznej syntezie wodoru przyspieszanej ultradźwiękami!

Elektrokoagulacja wspomagana ultradźwiękami

Zastosowanie ultradźwięków o niskiej częstotliwości w układach elektrokoagulacyjnych jest określane jako sonoelektrokoagulacja. Badania pokazują, że sonikacja pozytywnie wpływa na elektrokoagulację, zapewniając np. wyższą skuteczność usuwania wodorotlenków żelaza ze ścieków. Pozytywny wpływ ultradźwięków na elektrokoagulację wyjaśnia się ograniczeniem pasywacji elektrod. Ultradźwięki o niskiej częstotliwości i wysokiej intensywności rozbijają osadzone warstwy stałe i skutecznie je usuwają, dzięki czemu elektrody pozostają stale w pełni aktywne. Ponadto ultradźwięki aktywują oba rodzaje jonów, tj. kationy i aniony, obecne w strefie reakcji elektrod. Mieszanie ultradźwiękowe powoduje intensywne mikroruchy roztworu, doprowadzając surowiec i produkt do elektrod oraz odprowadzając je od elektrod.
Przykładami udanych procesów sonoelektrokoagulacji są redukcja Cr(VI) do Cr(III) w ściekach farmaceutycznych, usuwanie fosforu całkowitego ze ścieków przemysłu chemikaliów specjalistycznych ze skutecznością usuwania fosforu wynoszącą 99,5% w ciągu 10 min., usuwanie barwy i ChZT ze ścieków przemysłu celulozowo-papierniczego itp. Zgłoszone skuteczności usuwania barwy, 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

Wspomagane ultradźwiękami elektrochemiczne reakcje utleniania i/lub redukcji stosuje się jako skuteczną metodę degradacji zanieczyszczeń chemicznych. Mechanizmy sonomechaniczne i sonochemiczne wspomagają elektrochemiczną degradację zanieczyszczeń. Kawitacja wytwarzana ultradźwiękami powoduje intensywne mieszanie, mikromieszanie, transport masy i usuwanie warstw pasywacyjnych z elektrod. Te efekty kawitacyjne prowadzą głównie do zwiększenia transportu masy między fazą stałą a ciekłą, czyli między elektrodami a roztworem. Efekty sonochemiczne oddziałują bezpośrednio na cząsteczki. Homolityczne rozszczepianie 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 istotne dla efektywnego rozkładu materiałów organicznych. Ogólnie degradacja sonoelektrochemiczna wykazuje wysoką efektywność i nadaje się do oczyszczania dużych objętości strumieni ścieków oraz innych zanieczyszczonych cieczy.
Na przykład Lllanos i in. (2016) stwierdzili, że uzyskano istotny efekt synergistyczny w dezynfekcji wody, gdy działanie układu elektrochemicznego zintensyfikowano za pomocą sonikacji (dezynfekcja sonoelektrochemiczna). Stwierdzono, że ten wzrost szybkości dezynfekcji był związany z ograniczeniem występowania aglomeratów komórek E. coli oraz ze zwiększonym wytwarzaniem substancji dezynfekujących. Esclapez i in. (2010) wykazali, że podczas zwiększania skali degradacji kwasu trichlorooctowego (TCAA) zastosowano specjalnie zaprojektowany reaktor sonoelektrochemiczny (jednak niezoptymalizowany), a obecność pola ultradźwiękowego wytwarzanego przez UIP1000hd zapewniła lepsze wyniki (stopień konwersji 97%, efektywność degradacji 26%, selektywność 0,92 i wydajność prądowa 8%) przy niższych intensywnościach ultradźwięków i niższym objętościowym natężeniu przepływu. Biorąc pod uwagę, że reaktor sonoelektrochemiczny w skali przedpilotażowej nie został jeszcze zoptymalizowany, jest bardzo prawdopodobne, że wyniki te można jeszcze bardziej poprawić.

Woltamperometria ultradźwiękowa i elektroosadzanie

Elektroosadzanie prowadzono galwanostatycznie przy gęstości prądu 15 mA/cm2. Przed elektroosadzaniem roztwory poddawano sonikacji przez 5–60 minut. Sonikator firmy Hielscher UP200S typu sondowego zastosowano przy czasie cyklu wynoszącym 0,5. Sonikację prowadzono poprzez bezpośrednie zanurzenie sondy ultradźwiękowej w roztworze. Aby ocenić wpływ ultradźwięków na roztwór przed elektroosadzaniem, zastosowano woltamperometrię cykliczną (CV) w celu określenia zachowania roztworu i umożliwienia przewidywania idealnych warunków elektroosadzania. Zaobserwowano, że gdy roztwór jest poddawany sonikacji przed elektroosadzaniem, osadzanie rozpoczyna się przy mniej ujemnych wartościach potencjału. Oznacza to, że przy tym samym prądzie w roztworze wymagany jest mniejszy potencjał, ponieważ składniki roztworu wykazują większą aktywność niż w roztworach niepoddanych sonikacji. (por. Yurdal & Karahan 2017)
Dowiedz się więcej o sonoelektrochemicznym osadzaniu powłok ulepszonych nanomateriałami!

Wysokowydajne sondy elektrochemiczne i SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics to Twój partner z wieloletnim doświadczeniem w dziedzinie wysokowydajnych systemów ultradźwiękowych. Produkujemy i dystrybuujemy najnowocześniejsze sondy i reaktory ultradźwiękowe, które są stosowane na całym świecie w zastosowaniach wymagających dużych obciążeń w trudnych warunkach. Na potrzeby sonoelektrochemii firma Hielscher opracowała specjalne sondy ultradźwiękowe, które mogą pełnić funkcję katody i/lub anody, a także ultradźwiękowe komory reaktorowe odpowiednie do reakcji elektrochemicznych. Elektrody i komory ultradźwiękowe są dostępne zarówno do układów galwanicznych / woltaicznych, jak i elektrolitycznych.

Precyzyjnie regulowane amplitudy dla optymalnych wyników

Wszystkie procesory ultradźwiękowe Hielscher można precyzyjnie kontrolować, dzięki czemu są niezawodnymi urządzeniami do intensywnej pracy w badaniach i rozwoju oraz produkcji. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu wpływających na efektywność i skuteczność reakcji indukowanych sonochemicznie i sonomechanicznie. Wszystkie procesory Hielscher Ultrasonics umożliwiają precyzyjne ustawienie amplitudy. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy i dostarczać intensywność ultradźwięków wymaganą w wymagających zastosowaniach sonoelektrochemicznych. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w pracy ciągłej w trybie 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania umożliwiają precyzyjne wpływanie na reakcję sonoelektrochemiczną. Podczas każdego przebiegu sonikacji wszystkie parametry ultradźwiękowe są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD, dzięki czemu każdy przebieg można ocenić i skontrolować. Optymalna sonikacja dla najbardziej efektywnych reakcji sonoelektrochemicznych!
Wszystkie urządzenia są przeznaczone do pracy 24/7/365 pod pełnym obciążeniem, a ich wytrzymałość i niezawodność sprawiają, że stanowią podstawę intensywnej pracy w Twoim procesie elektrochemicznym. Dzięki temu urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są niezawodnymi narzędziami pracy spełniającymi wymagania Twojego procesu sonoelektrochemicznego.

Najwyższa jakość – zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech

Jako przedsiębiorstwo rodzinne, należące do rodziny i przez nią zarządzane, Hielscher stawia na najwyższe standardy jakości swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie sonikatory są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow niedaleko Berlina w Niemczech. Wytrzymałość i niezawodność urządzeń ultradźwiękowych Hielscher sprawiają, że stanowią one podstawę intensywnej pracy w Twojej produkcji. Praca w trybie 24/7 pod pełnym obciążeniem i w trudnych warunkach jest naturalną cechą wysokowydajnych sond i reaktorów ultradźwiękowych Hielscher.

Skontaktuj się z nami już teraz i przedstaw nam wymagania swojego procesu elektrochemicznego! Polecimy Ci najlepiej dopasowane elektrody ultradźwiękowe i konfigurację reaktora!