Electro-sonicação – eléctrodos ultra-sónicos

A electro-sonicação 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. Isto coloca a potência dos ultra-sons diretamente na interface entre o elétrodo ultrassónico e o líquido. Aí pode promover a eletrólise, melhorar a transferência de massa, e quebrar camadas limite ou depósitos. A Hielscher fornece equipamento de grau de produção para processos de electro-sonicação em lote e processos em linha a qualquer escala. É possível combinar a electro-sonicação com a mano-sonicação (pressão) e a termo-sonicação (temperatura).

Aplicações de eléctrodos ultra-sónicos

A aplicação de ultra-sons a eléctrodos é uma nova tecnologia com benefícios para muitos processos diferentes em eletrólise, galvanização, electro-purificação, geração de hidrogénio e electro-coagulação, síntese de partículas ou outras reacções electroquímicas. A Hielscher Ultrasonics tem eléctrodos ultra-sónicos prontamente disponíveis para investigação e desenvolvimento à escala laboratorial ou à escala piloto de eletrólise. Depois de ter testado e optimizado o seu processo eletrolítico, pode utilizar o equipamento de ultra-sons de tamanho de produção da Hielscher Ultrasonics para aumentar os resultados do seu processo para níveis de produção industrial. Abaixo, encontrará sugestões e recomendações para a utilização de eléctrodos ultra-sónicos.

Sono-Electrolise (Eletrólise ultra-sónica)

A eletrólise é o intercâmbio de átomos e iões através da remoção ou adição de electrões resultantes da aplicação de uma corrente eléctrica. Os produtos da eletrólise podem ter um estado físico diferente do eletrólito. A eletrólise pode produzir sólidos, tais como precipitados ou camadas sólidas em qualquer um dos eléctrodos. Em alternativa, a eletrólise pode produzir gases, como o hidrogénio, o cloro ou o oxigénio. A agitação ultra-sónica de um elétrodo pode quebrar depósitos sólidos da superfície do elétrodo. A desgaseificação ultra-sónica produz rapidamente bolhas de gás maiores a partir de gases dissolvidos em micro-bolhas. Isto leva a uma separação mais rápida dos produtos gasosos do eletrólito.

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

Transferência de massa ultrassónica na superfície do elétrodo

Durante o processo de eletrólise, os produtos acumulam-se perto dos eléctrodos ou na superfície do elétrodo. A agitação ultra-sónica é uma ferramenta muito eficaz para aumentar a transferência de massa nas camadas limite. Este efeito coloca o eletrólito fresco em contacto com a superfície do elétrodo. O fluxo cavitacional transporta os produtos da eletrólise, tais como gases ou sólidos, para longe da superfície do elétrodo. A formação inibidora de camadas isolantes é assim evitada.

Efeitos dos ultra-sons no potencial de decomposição

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

Ultra-sons em Electrorefinação e Electrowinning

No processo de electrorefinação, os depósitos sólidos de metais, como o cobre, podem ser transformados numa suspensão de partículas sólidas no eletrólito. Na electrolavagem, também designada por electroextracção, a eletrodeposição de metais dos seus minérios pode ser transformada em precipitados sólidos. Os metais electrolíticos mais comuns são o chumbo, o cobre, o ouro, a prata, o zinco, o alumínio, o crómio, o cobalto, o manganês e as terras raras e os metais alcalinos. A ultra-sons é também um meio eficaz para a lixiviação de minérios.

Purificação Sono-Electrolítica de Líquidos

Purificar um líquido, por exemplo, soluções aquosas como águas residuais, lamas ou similares, conduzindo a solução através do campo elétrico de dois eléctrodos! A eletrólise pode desinfetar ou purificar soluções aquosas. A alimentação de uma solução de NaCI juntamente com água através de eléctrodos ou entre eléctrodos gera Cl2 ou CIO2, que podem oxidar as impurezas e desinfetar a água ou as soluções aquosas. Se a água contiver cloretos naturais suficientes, não há necessidade de adição.
As vibrações ultra-sónicas 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 ultra-sónica e a cavitação reduzem significativamente a formação de bolhas microscópicas devido à polarização. A utilização de eléctrodos ultra-sónicos para a eletrólise melhora consideravelmente o processo de purificação electrolítica.

Sono-Eletrocoagulação (Eletrocoagulação ultra-sónica)

A eletrocoagulação é um método de tratamento de águas residuais para a remoção de contaminantes, tais como óleo emulsionado, hidrocarbonetos totais de petróleo, substâncias orgânicas refractárias, sólidos em suspensão e metais pesados. Além disso, os iões radioactivos podem ser removidos para a purificação da água. A adição de eletrocoagulação por ultra-sons, também conhecida como sono-eletrocoagulação, tem um efeito positivo na procura química de oxigénio ou na eficiência da remoção de turvação. Os processos de tratamento combinados de eletrocoagulação mostraram desempenhos muito melhores na remoção de poluentes das águas residuais industriais. A integração de uma fase de produção de radicais livres, como a cavitação ultra-sónica com a eletrocoagulação, revela sinergias e melhorias no processo global de limpeza. O objetivo da utilização destes sistemas híbridos ultra-sónicos-electrolíticos é aumentar a eficiência global do tratamento e eliminar as desvantagens dos processos de tratamento convencionais. Foi demonstrado que os reactores híbridos de ultra-sons-eletrocoagulação inactivam a Escherichia coli na água.

Ultrasonic UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) como Sono-cátodo e/ou Sono-ânodo em um tanque

Geração Sono-Electrolítica In-Situ de Reagentes ou Reagentes

Muitos processos químicos, como as reacções heterogéneas ou a catálise, beneficiam da agitação ultrassónica e da cavitação ultrassónica. A influência sono-química pode aumentar a velocidade de reação ou melhorar os rendimentos de conversão.
Os eléctrodos agitados por ultra-sons acrescentam uma nova e poderosa ferramenta às reacções químicas. Agora é possível combinar os benefícios da sonoquímica com a eletrólise. Produzir hidrogénio, iões hidróxido, hipoclorito e muitos outros iões ou materiais neutros diretamente no campo de cavitação ultra-sónica. Os produtos da eletrólise podem atuar como reagentes ou como reagentes para a reação química.

Combinação de ultra-sons com campo elétrico pulsado

A combinação de campo elétrico pulsado (PEF) e ultra-sons (US) tem efeitos positivos na extração de compostos físico-químicos, bioactivos e na estrutura química dos extractos. Na extração de amêndoas, o tratamento combinado (PEF-US) produziu os níveis mais elevados de fenólicos totais, flavonóides totais, taninos condensados, teores de antocianinas e atividade antioxidante. Reduziu a potência e a atividade quelante de metais.
Os ultra-sons (US) e o campo elétrico pulsado (PEF) podem ser utilizados para aumentar 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 campo elétrico pulsado e do tratamento por ultra-sons tem 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.

Sono-Eletroquímica / Eletroquímica ultra-sónica

Adicionar eletrólise reforçada por ultra-sons para produzir reagentes ou consumir produtos de reacções químicas, a fim de deslocar o equilíbrio final da reação química ou alterar a via da reação química.

Configuração sugerida dos eléctrodos ultra-sónicos

O design inovador dos ultrassons do tipo sonda transforma um sonotrodo ultrassónico padrão num elétrodo com vibração ultrassónica. Isto torna o ultrassom para eléctrodos mais acessível, mais fácil de integrar e facilmente escalável para níveis de produção. Outras concepções agitavam o eletrólito entre dois eléctrodos não agitados, apenas. Os padrões de sombreamento e de propagação de ondas de ultra-sons produzem resultados inferiores quando comparados com a agitação direta dos eléctrodos. É possível adicionar vibração de ultra-sons aos ânodos ou cátodos, respetivamente. Naturalmente, é possível alterar a tensão e a polaridade dos eléctrodos em qualquer altura. Os eléctrodos Hielscher Ultrasonics são fáceis de adaptar às configurações existentes.

Células Sono-Electrolíticas Seladas e Reactores Electroquímicos

Está disponível uma vedação estanque à pressão entre o sonotrodo ultrassónico (elétrodo) e um recipiente do reator. Assim, é possível operar a célula electrolítica a uma pressão diferente da pressão ambiente. A combinação de ultra-sons com pressão é designada por mano-sonicação. Isto pode ser interessante se a eletrólise produzir gases, quando se trabalha a temperaturas mais elevadas ou quando se trabalha 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 feita de forma condutora ou isolante. Este último permite operar as paredes do reator como um segundo elétrodo. Naturalmente, o reator pode ter portas de entrada e de saída para atuar como um reator de célula de fluxo para processos contínuos. A Hielscher Ultrasonics oferece uma variedade de reatores padronizados e células de fluxo encamisadas. Alternativamente, você pode escolher entre uma gama de adaptadores para encaixar sonotrodos Hielscher para o seu reator eletroquímico.

Disposição concêntrica no reator de tubos

Se o elétrodo agitado por ultra-sons estiver próximo de um segundo elétrodo não agitado ou de uma parede do reator, as ondas ultra-sónicas propagam-se através do líquido e as ondas ultra-sónicas actuam também nas outras superfícies. Um elétrodo agitado por ultra-sons, orientado concentricamente numa tubagem ou num reator, pode manter as paredes interiores livres de incrustações ou de sólidos acumulados.

temperatura

Ao utilizar sonotrodos Hielscher padrão como eléctrodos, a temperatura do eletrólito pode situar-se entre 0 e 80 graus Celsius. Os sonotrodos para outras temperaturas do eletrólito na gama de -273 graus Celsius a 500 graus Celsius estão disponíveis mediante pedido. A combinação do ultrassom com a temperatura é chamada de termo-sonicação.

Viscosidade

Se a viscosidade do eletrólito inibir a transferência de massa, a mistura por agitação ultra-sónica durante a eletrólise pode ser benéfica, uma vez que melhora a transferência do material de e para os eléctrodos.

Sono-Eletrólise com corrente pulsante

A corrente pulsante nos eléctrodos agitados por ultra-sons resulta em produtos diferentes da corrente contínua (DC). Por exemplo, a corrente pulsante pode aumentar a relação entre o ozono e o oxigénio produzido no ânodo na eletrólise de uma solução aquosa ácida, por exemplo, ácido sulfúrico diluído. A eletrólise do etanol por corrente pulsada produz um aldeído em vez de um ácido.

Equipamento para electro-sonicação

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

Eléctrodos ultra-sónicos (Sonotrodos)

Os sonotrodos estão isolados eletricamente do gerador de ultra-sons. Por conseguinte, é possível ligar o sonotrodo ultrassónico a uma tensão eléctrica, para que o sonotrodo possa atuar como um elétrodo. O intervalo de isolamento elétrico padrão entre os sonotrodos e o contacto de terra é de 2,5 mm. Por conseguinte, é possível aplicar até 2500 volts ao sonotrodo. Os sonotrodos padrão são sólidos e feitos de titânio. Por conseguinte, não existe praticamente nenhuma restrição à corrente do elétrodo. O titânio apresenta uma boa resistência à corrosão em muitos electrólitos alcalinos ou ácidos. São possíveis materiais alternativos para os sonotrodos, como o alumínio (Al), o aço (Fe), o aço inoxidável, o níquel-crómio-molibdénio ou o nióbio. A Hielscher oferece sonotrodos de ânodo sacrificial económicos, por exemplo, feitos de alumínio ou aço.

Gerador de ultra-sons, fonte de alimentação

O gerador de ultra-sons não necessita de qualquer modificação e utiliza uma tomada eléctrica normal com ligação à terra. A buzina do transdutor e todas as superfícies exteriores do transdutor e do gerador estão ligadas à terra da tomada eléctrica, como é óbvio. O sonotrodo e um elemento de suporte são as únicas partes ligadas à tensão do elétrodo. Isto facilita a conceção da configuração. É possível ligar o sonotrodo à corrente contínua (DC), à corrente contínua pulsante ou à corrente alternada (AC). Os eléctrodos ultra-sónicos podem ser utilizados como ânodos ou cátodos, respetivamente.

Equipamento de produção para processos de electro-sonicação

Pode utilizar qualquer dispositivo ultrassónico da Hielscher, como o UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT ou UIP4000hdT para acoplar até 4000 watts de potência ultra-sónica a qualquer sonotrodo ou cascatrodo padrão. A intensidade da superfície ultra-sónica na superfície do sonotrodo pode variar entre 1 watt e 100 watts watt por centímetro quadrado. Estão disponíveis diferentes geometrias de sonotrodos com amplitudes de 1 mícron a 150 mícron (pico a pico). A frequência ultra-sónica de 20kHz é muito eficaz na geração de cavitação e fluxo acústico no eletrólito. Os dispositivos ultra-sónicos da Hielscher podem funcionar 24 horas por dia, sete dias por semana. Podem funcionar continuamente com potência máxima ou pulsar, por exemplo, para limpeza periódica dos eléctrodos. A Hielscher Ultrasonics pode fornecer eléctrodos ultra-sónicos com até 16 kilowatts de potência ultra-sónica (agitação mecânica) por elétrodo individual. A potência eléctrica que pode ser ligada aos eléctrodos é praticamente ilimitada.

Mais uma coisa: Pulverização Sono-Eletrostática

A Hielscher Ultrasonics fabrica equipamentos para a pulverização, nebulização, atomização ou aerossolização de líquidos. O sonotrodo de pulverização ultra-sónica pode dar a névoa líquida ou aerossóis uma carga positiva. Isto combina a pulverização ultra-sónica com a tecnologia de pulverização eletrostática, por exemplo, para processos de revestimento.