Eletrossonicação – Elétrodos ultrassónicos

A eletrossonicação é a combinação dos efeitos da eletricidade com os efeitos da sonicação. A Hielscher Ultrasonics desenvolveu um método novo e elegante para utilizar qualquer sonotrodo como elétrodo. Este método coloca a potência dos ultrassons diretamente na interface entre o elétrodo ultrassónico e o líquido. Aí, pode promover a eletrólise, melhorar a transferência de massa e romper camadas limite ou depósitos. A Hielscher fornece equipamento de nível industrial para processos de eletrossonicação em descontínuo e em linha, a qualquer escala. Pode combinar a eletrossonicação com a manossonicação (pressão) e a termossonicação (temperatura).

Aplicações dos elétrodos ultrassónicos

A aplicação de ultrassons a elétrodos é uma tecnologia inovadora com benefícios para muitos processos diferentes de eletrólise, galvanização, eletropurificação, produção de hidrogénio e eletrocoagulação, síntese de partículas ou outras reações eletroquímicas. A Hielscher Ultrasonics dispõe de elétrodos ultrassónicos prontamente disponíveis para investigação e desenvolvimento em eletrólise à escala laboratorial ou piloto. Depois de testar e otimizar o seu processo eletrolítico, pode utilizar equipamento ultrassónico da Hielscher Ultrasonics de dimensão industrial para ampliar os resultados do seu processo até aos níveis de produção industrial. Abaixo, encontrará sugestões e recomendações para a utilização de elétrodos ultrassónicos.

Sonoeletrólise (eletrólise ultrassónica)

A eletrólise é a interconversão de átomos e iões através da remoção ou adição de eletrões, resultante da aplicação de uma corrente elétrica. Os produtos da eletrólise podem ter um estado físico diferente do eletrólito. A eletrólise pode produzir sólidos, como precipitados ou camadas sólidas em qualquer um dos elétrodos. Em alternativa, a eletrólise pode produzir gases, como hidrogénio, cloro ou oxigénio. A agitação ultrassónica de um elétrodo pode desprender depósitos sólidos da superfície do elétrodo. A desgaseificação ultrassónica produz rapidamente bolhas de gás maiores a partir de gases dissolvidos de microbolhas. Isto conduz a uma separação mais rápida dos produtos gasosos do eletrólito.

UIP2000hdT ultrassónico (2000 watts, 20kHz) como cátodo e/ou ânodo numa célula eletrolítica

Transferência de massa melhorada por ultrassons na superfície do elétrodo

Durante o processo de eletrólise, os produtos acumulam-se perto dos elétrodos ou na superfície do elétrodo. A agitação ultrassónica é uma ferramenta muito eficaz para aumentar a transferência de massa nas camadas limite. Este efeito coloca eletrólito fresco em contacto com a superfície do elétrodo. O escoamento induzido pela cavitação transporta os produtos da eletrólise, como gases ou sólidos, para longe da superfície do elétrodo. Evita-se, assim, a formação de camadas isolantes com efeito inibidor.

Efeitos dos ultrassons no potencial de decomposição

A agitação ultrassónica do ânodo, do cátodo ou de ambos os elétrodos pode afetar o potencial de decomposição ou a tensão de decomposição. Sabe-se que a cavitação, por si só, quebra moléculas e produz radicais livres ou ozono. A combinação da cavitação com a eletrólise numa eletrólise melhorada por ultrassons pode afetar a tensão mínima necessária entre o ânodo e o cátodo de uma célula eletrolítica para que a eletrólise ocorra. Os efeitos mecânicos e sonoquímicos da cavitação também podem melhorar a eficiência energética da eletrólise.

Ultrassons na eletrorrefinação e na eletroextração

No processo de eletrorrefinação, os depósitos sólidos de metais, como o cobre, podem ser transformados numa suspensão de partículas sólidas no eletrólito. Na extração eletrolítica, também chamada eletroextração, a eletrodeposição de metais a partir dos seus minérios pode ser transformada num precipitado sólido. Os metais habitualmente obtidos por extração eletrolítica são o chumbo, o cobre, o ouro, a prata, o zinco, o alumínio, o crómio, o cobalto, o manganês e os metais de terras raras e alcalinos.
A sonicação também é um meio eficaz para a lixiviação de minérios.

Purificação sonoeletrolítica de líquidos

Purifique um líquido, por exemplo, uma solução aquosa como águas residuais, lamas ou semelhantes, fazendo passar a solução pelo campo elétrico de dois elétrodos! A eletrólise pode desinfetar ou purificar soluções aquosas. A passagem de uma solução de NaCI juntamente com água através dos elétrodos ou ao longo destes gera Cl2 ou CIO2, que podem oxidar impurezas e desinfetar a água ou as soluções aquosas. Se a água contiver cloretos naturais em quantidade suficiente, não é necessária a adição.
As vibrações ultrassónicas do elétrodo podem tornar a camada limite entre o elétrodo e a água tão fina quanto possível. Isto pode melhorar a transferência de massa em muitas ordens de grandeza. A vibração ultrassónica e a cavitação reduzem significativamente a formação de bolhas microscópicas devida à polarização. A utilização de elétrodos ultrassónicos para a eletrólise melhora consideravelmente o processo de purificação eletrolítica.

Sonoeletrocoagulação (eletrocoagulação ultrassónica)

A eletrocoagulação é um método de tratamento de águas residuais para a remoção de contaminantes, como óleo emulsionado, hidrocarbonetos totais de petróleo, compostos orgânicos refratários, sólidos em suspensão e metais pesados. Também se podem remover iões radioativos para a purificação da água. A adição de sonicação à eletrocoagulação, também conhecida como sonoeletrocoagulação, tem um efeito positivo na eficiência de remoção da carência química de oxigénio ou da turvação. Os processos de tratamento combinado com eletrocoagulação demonstraram desempenhos muito superiores na remoção de poluentes de águas residuais industriais. A integração de uma etapa de produção de radicais livres, como a cavitação ultrassónica, com a eletrocoagulação apresenta sinergia e melhorias no processo global de limpeza. O objetivo da utilização destes sistemas híbridos ultrassónicos e eletrolíticos é aumentar a eficiência global do tratamento e eliminar as desvantagens dos processos de tratamento convencionais. Demonstrou-se que os reatores híbridos de ultrassons e eletrocoagulação inativam Escherichia coli na água.

UIP2000hdT ultrassónico (2000 watts, 20kHz) como sonocátodo e/ou sonoânodo num tanque

Produção sonoeletrolítica in situ de reagentes ou reactantes

Muitos processos químicos, como as reações heterogéneas ou a catálise, beneficiam da agitação ultrassónica e da cavitação ultrassónica. A influência sonoquímica pode aumentar a velocidade de reação ou melhorar os rendimentos de conversão.
Os elétrodos agitados por ultrassons acrescentam uma nova ferramenta poderosa às reações químicas. Agora pode combinar os benefícios da sonoquímica com a eletrólise. Produza hidrogénio, iões hidróxido, hipoclorito e muitos outros iões ou materiais neutros diretamente no campo de cavitação ultrassónica. Os produtos da eletrólise podem atuar como reagentes ou como reactantes na reação química.

Combinação de ultrassons com campo elétrico pulsado

A combinação de campo elétrico pulsado (PEF) e ultrassons (US) tem efeitos positivos na extração de compostos físico-químicos e bioativos e na estrutura química dos extratos. Na extração de amêndoas, o tratamento combinado (PEF–US) produziu os níveis mais elevados de compostos fenólicos totais, flavonoides totais, taninos condensados, teor de antocianinas e atividade antioxidante. Reduziu a potência e a atividade quelante de metais.
Os ultrassons (US) e o campo elétrico pulsado (PEF) podem ser utilizados para melhorar a eficiência do processo e as taxas de produção em processos de fermentação, melhorando a transferência de massa e a permeabilidade celular.
A combinação do tratamento com campo elétrico pulsado e ultrassons tem efetivamente um impacto na cinética de secagem ao ar e na qualidade dos vegetais secos, como as cenouras. O tempo de secagem pode ser reduzido em 20 a 40%, mantendo as propriedades de reidratação.

Sonoeletroquímica / Eletroquímica ultrassónica

Adicione eletrólise melhorada por ultrassons para produzir reactantes ou consumir produtos de reações químicas, de modo a deslocar o equilíbrio final da reação química ou alterar a via da reação química.

Configuração sugerida para elétrodos ultrassónicos

O design inovador dos sonicadores de sonda transforma um sonotrodo ultrassónico padrão num elétrodo que vibra por ação dos ultrassons. Isto torna os ultrassons para elétrodos mais acessíveis, mais fáceis de integrar e facilmente adaptáveis à escala de produção. Outros designs agitavam apenas o eletrólito entre dois elétrodos não agitados. Os efeitos de sombra e os padrões de propagação das ondas ultrassónicas produzem resultados inferiores aos da agitação direta dos elétrodos. Pode adicionar vibração ultrassónica aos ânodos ou aos cátodos, respetivamente. Naturalmente, pode alterar a tensão e a polaridade dos elétrodos a qualquer momento. Os elétrodos da Hielscher Ultrasonics são fáceis de instalar em configurações existentes.

Célula sonoeletrolítica estanque e reatores eletroquímicos

Está disponível uma vedação estanque à pressão entre o sonotrodo ultrassónico (elétrodo) e o recipiente do reator. Por conseguinte, pode operar a célula eletrolítica a uma pressão diferente da pressão ambiente. A combinação de ultrassons com pressão chama-se manossonicação. Isto pode ser interessante se a eletrólise produzir gases, ao trabalhar a temperaturas mais elevadas ou com componentes líquidos voláteis. Um reator eletroquímico hermeticamente fechado pode funcionar a pressões superiores ou inferiores à pressão ambiente. A vedação entre o elétrodo ultrassónico e o reator pode ser eletricamente condutora ou isolante. Esta última permite utilizar as paredes do reator como segundo elétrodo. Naturalmente, o reator pode ter orifícios de entrada e saída para funcionar como um reator de célula de fluxo em processos contínuos. A Hielscher Ultrasonics oferece uma variedade de reatores normalizados e células de fluxo com camisa. Em alternativa, pode escolher entre uma gama de adaptadores para instalar sonotrodos Hielscher no seu reator eletroquímico.

Disposição concêntrica num reator tubular

Se o elétrodo agitado por ultrassons estiver perto de um segundo elétrodo não agitado ou de uma parede do reator, as ondas ultrassónicas propagam-se através do líquido e atuam também nas outras superfícies. Um elétrodo agitado por ultrassons disposto concentricamente num tubo ou num reator pode manter as paredes interiores livres de incrustações ou de sólidos acumulados.

Temperatura

Ao utilizar sonotrodos Hielscher padrão como elétrodos, a temperatura do eletrólito pode situar-se entre 0 e 80 graus Celsius. Estão disponíveis, mediante pedido, sonotrodos para outras temperaturas do eletrólito no intervalo de -273 graus Celsius a 500 graus Celsius. A combinação de ultrassons com temperatura chama-se termossonicação.

Viscosidade

Se a viscosidade do eletrólito inibir a transferência de massa, a mistura por agitação ultrassónica durante a eletrólise poderá ser benéfica, uma vez que melhora a transferência de material de e para os elétrodos.

Sonoeletrólise com corrente pulsante

A corrente pulsante nos elétrodos agitados por ultrassons dá origem a produtos diferentes dos obtidos com corrente contínua (DC). Por exemplo, a corrente pulsante pode aumentar a proporção de ozono em relação ao oxigénio produzido no ânodo durante a eletrólise de uma solução aquosa ácida, como ácido sulfúrico diluído. A eletrólise de etanol com corrente pulsada produz um aldeído, em vez de produzir principalmente um ácido.

Equipamento para eletrossonicação

A Hielscher Ultrasonics desenvolveu uma atualização sonoeletroquímica especial para os transdutores industriais. O transdutor atualizado funciona com quase todos os tipos de sonotrodos Hielscher.

Elétrodos ultrassónicos (sonotrodos)

Os sonotrodos estão eletricamente isolados do gerador ultrassónico. Por conseguinte, pode aplicar uma tensão elétrica ao sonotrodo ultrassónico, de modo a que este possa atuar como elétrodo. A distância padrão de isolamento elétrico entre os sonotrodos e o contacto de terra é de 2,5 mm. Assim, poderá aplicar até 2500 volts ao sonotrodo. Os sonotrodos padrão são maciços e fabricados em titânio. Por conseguinte, praticamente não existe restrição à corrente do elétrodo. O titânio apresenta uma boa resistência à corrosão em muitos eletrólitos alcalinos ou ácidos. São possíveis materiais alternativos para os sonotrodos, como alumínio (Al), aço (Fe), aço inoxidável, níquel-crómio-molibdénio ou nióbio. A Hielscher oferece sonotrodos de ânodo de sacrifício económicos, por exemplo, fabricados em alumínio ou aço.

Gerador ultrassónico, fonte de alimentação

O gerador ultrassónico não necessita de qualquer modificação e utiliza uma tomada elétrica padrão com ligação à terra. A corneta do transdutor e todas as superfícies exteriores do transdutor e do gerador estão, naturalmente, ligadas à terra da tomada elétrica. O sonotrodo e um elemento de suporte são as únicas peças ligadas à tensão do elétrodo. Isto facilita a conceção da configuração. Pode ligar o sonotrodo a corrente contínua (DC), corrente contínua pulsante ou corrente alternada (AC). Os elétrodos ultrassónicos podem funcionar como ânodos ou cátodos, respetivamente.

Equipamento de produção para processos de eletrossonicação

Pode utilizar qualquer dispositivo ultrassónico Hielscher, como o UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT ou UIP4000hdT, para acoplar até 4000 watts de potência ultrassónica a qualquer sonotrodo padrão ou cascatrode. A intensidade ultrassónica superficial na superfície do sonotrodo pode situar-se entre 1 watt e 100 watts watt por centímetro quadrado. Estão disponíveis diferentes geometrias de sonotrodos com amplitudes de 1 micrómetro a 150 micrómetros (pico a pico). A frequência ultrassónica de 20kHz é muito eficaz na geração de cavitação e escoamento acústico no eletrólito. Os dispositivos ultrassónicos Hielscher podem funcionar 24 horas por dia, sete dias por semana. Pode operar continuamente à potência máxima de saída ou em modo pulsado, por exemplo, para a limpeza periódica dos elétrodos. A Hielscher Ultrasonics pode fornecer elétrodos ultrassónicos com até 16 quilowatts de potência ultrassónica (agitação mecânica) por elétrodo individual. Praticamente não existe limite para a potência elétrica que pode aplicar aos elétrodos.

Mais uma coisa: pulverização sonoeletrostática

A Hielscher Ultrasonics fabrica equipamento para a pulverização, nebulização, atomização ou formação de aerossóis de líquidos. O sonotrodo de pulverização ultrassónica pode conferir uma carga positiva à névoa líquida ou aos aerossóis. Isto combina a pulverização ultrassónica com a tecnologia de pulverização eletrostática, por exemplo, para processos de revestimento.

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