Sonoeletroquímica e as suas vantagens

Aqui encontrará tudo o que precisa de saber sobre eletroquímica ultrassónica (sonoeletroquímica): princípio de funcionamento, aplicações, vantagens e equipamento sonoeletroquímico – todas as informações relevantes sobre sonoeletroquímica numa só página.

Porquê aplicar ultrassons à eletroquímica?

A combinação de ondas ultrassónicas de baixa frequência e alta intensidade com sistemas eletroquímicos proporciona múltiplos benefícios, que melhoram a eficiência e a taxa de conversão das reações eletroquímicas.

O princípio de funcionamento dos ultrassons

Para o processamento ultrassónico de elevado desempenho, um gerador de ultrassons gera ultrassons de alta intensidade e baixa frequência, que são transmitidos para um líquido através de uma sonda ultrassónica (sonotrodo). Consideram-se ultrassons de alta potência os ultrassons na gama de 16–30kHz. A sonda ultrassónica expande-se e contrai-se, por exemplo, a 20kHz, transmitindo assim 20 000 vibrações por segundo ao meio. Quando as ondas ultrassónicas atravessam o líquido, ciclos alternados de alta pressão (compressão) / baixa pressão (rarefação ou expansão) criam minúsculas bolhas de vácuo ou cavidades, que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. Durante a fase de compressão do líquido e das bolhas, a pressão é positiva, enquanto a fase de rarefação produz um vácuo (pressão negativa). Durante os ciclos de compressão e expansão, as cavidades no líquido crescem até atingirem uma dimensão em que já não conseguem absorver mais energia. Nesse momento, implodem violentamente. A implosão dessas cavidades dá origem a vários efeitos altamente energéticos, conhecidos como o fenómeno de cavitação acústica / ultrassónica. A cavitação acústica caracteriza-se por múltiplos efeitos altamente energéticos, que afetam líquidos, sistemas sólido/líquido e sistemas gás/líquido. A zona de elevada densidade energética, ou zona de cavitação, é conhecida como zona de pontos quentes, cuja densidade energética é máxima nas imediações da sonda ultrassónica e diminui à medida que aumenta a distância ao sonotrodo. As principais características da cavitação ultrassónica incluem temperaturas e pressões localmente muito elevadas e os respetivos diferenciais, turbulência e escoamento do líquido. Durante a implosão de cavidades ultrassónicas nos pontos quentes ultrassónicos, podem medir-se temperaturas de até 5000 Kelvin, pressões de até 200 atmosferas e jatos de líquido com velocidades de até 1000km/h. Estas condições excecionais de elevada intensidade energética contribuem para efeitos sonomecânicos e sonoquímicos que intensificam os sistemas eletroquímicos de várias formas.

Os efeitos dos ultrassons nos sistemas eletroquímicos

A aplicação de sonicação a reações eletroquímicas é conhecida pelos seus vários efeitos nos elétrodos, ou seja, no ânodo e no cátodo, bem como na solução eletrolítica. A cavitação ultrassónica e o escoamento acústico geram micromovimentos significativos, jatos de líquido que incidem sobre as superfícies e agitação no fluido de reação. Isto melhora a hidrodinâmica e o movimento da mistura líquido/sólido. A cavitação ultrassónica reduz a espessura efetiva da camada de difusão num elétrodo. Uma camada de difusão reduzida significa que a sonicação minimiza a diferença de concentração, ou seja, os ultrassons promovem a convergência entre a concentração nas proximidades de um elétrodo e o valor da concentração no seio da solução. A influência da agitação ultrassónica nos gradientes de concentração durante a reação assegura o fornecimento permanente de solução fresca ao elétrodo e a remoção do material que reagiu. Isto significa que a sonicação melhorou a cinética global, acelerando a velocidade da reação e aumentando o rendimento da reação.
A introdução de energia ultrassónica no sistema, bem como a formação sonoquímica de radicais livres, permite iniciar uma reação eletroquímica que, de outro modo, teria sido eletroinativa. Outro efeito importante da vibração e do escoamento acústicos é o efeito de limpeza das superfícies dos elétrodos. As camadas passivantes e as incrustações nos elétrodos limitam a eficiência e a velocidade das reações eletroquímicas. A sonicação mantém os elétrodos permanentemente limpos e plenamente ativos para a reação. A sonicação é bem conhecida pelos seus efeitos de desgaseificação, que também são benéficos nas reações eletroquímicas. Ao remover os gases indesejados do líquido, a reação pode decorrer de forma mais eficaz.

Aplicações da sonoeletroquímica

A sonoeletroquímica pode ser aplicada a vários processos e em diferentes indústrias. Entre as aplicações muito comuns da sonoeletroquímica incluem-se as seguintes:

• Síntese de nanopartículas (eletrossíntese)
• Síntese de hidrogénio
• Eletrocoagulação
• Tratamento de águas residuais
• Quebra de emulsões
• Revestimento eletrolítico / Eletrodeposição
• Aquecimento óhmico

Síntese sonoeletroquímica de nanopartículas

A sonicação foi aplicada com sucesso à síntese de várias nanopartículas num sistema eletroquímico. Magnetite, nanotubos de cádmio–selénio (CdSe), nanopartículas (NPs) de platina, NPs de ouro, magnésio metálico, bismuteno, nanoprata, cobre ultrafino, nanopartículas de liga de tungsténio–cobalto (W–Co), nanocompósito de óxido de samário/óxido de grafeno reduzido, nanopartículas de cobre de dimensão inferior a 1nm revestidas com poli(ácido acrílico) e muitos outros pós de dimensão nanométrica foram produzidos com sucesso por sonoeletroquímica.
As vantagens da síntese sonoeletroquímica de nanopartículas incluem:

• dispensa de agentes redutores e tensioativos
• utilização de água como solvente
• ajuste da dimensão das nanopartículas através da variação dos parâmetros (potência ultrassónica, densidade de corrente, potencial de deposição e tempos dos impulsos ultrassónicos em comparação com os eletroquímicos)

Ashasssi-Sorkhabi e Bagheri (2014) sintetizaram filmes de polipirrol por via sonoeletroquímica e compararam os resultados com os de filmes de polipirrol sintetizados por via eletroquímica. Os resultados mostram que a sonoeletrodeposição galvanostática produziu um filme de polipirrol (PPy) fortemente aderente e liso sobre aço, com uma densidade de corrente de 4 mA cm–2 numa solução de ácido oxálico 0,1 M/pirrol 0,1 M. Utilizando a polimerização sonoeletroquímica, obtiveram filmes de PPy de elevada resistência e tenazes, com superfície lisa. Foi demonstrado que os revestimentos de PPy preparados por sonoeletroquímica proporcionam uma proteção substancial contra a corrosão ao aço St-12. O revestimento sintetizado era uniforme e apresentava uma elevada resistência à corrosão. Todos estes resultados podem ser atribuídos ao facto de os ultrassons terem melhorado a transferência de massa dos reagentes e provocado elevadas velocidades de reação química através da cavitação acústica e das elevadas temperaturas e pressões daí resultantes. A validade dos dados de impedância para a interface aço St-12/dois revestimentos de PPy/meios corrosivos foi verificada utilizando as transformadas KK, tendo sido observados baixos erros médios.

Hass e Gedanken (2008) relataram a síntese sonoeletroquímica bem-sucedida de nanopartículas de magnésio metálico. As eficiências no processo sonoeletroquímico do reagente de Gringard em tetraidrofurano (THF) ou numa solução de dibutildiglima foram de 41,35% e 33,08%, respetivamente. A adição de AlCl3 à solução de Gringard aumentou drasticamente a eficiência, elevando-a para 82,70% e 51,69% em THF ou dibutildiglima, respetivamente.

Produção sonoeletroquímica de hidrogénio

A eletrólise promovida por ultrassons aumenta significativamente o rendimento de hidrogénio a partir de água ou de soluções alcalinas. Clique aqui para saber mais sobre a síntese eletrolítica de hidrogénio acelerada por ultrassons!

Eletrocoagulação assistida por ultrassons

A aplicação de ultrassons de baixa frequência a sistemas de eletrocoagulação é conhecida como sonoeletrocoagulação. Os estudos mostram que a sonicação influencia positivamente a eletrocoagulação, resultando, por exemplo, numa maior eficiência de remoção de hidróxidos de ferro das águas residuais. O impacto positivo dos ultrassons na eletrocoagulação explica-se pela redução da passivação dos elétrodos. Os ultrassons de baixa frequência e alta intensidade destroem a camada sólida depositada e removem-na de forma eficiente, mantendo assim os elétrodos continuamente plenamente ativos. Além disso, os ultrassons ativam ambos os tipos de iões, ou seja, catiões e aniões, presentes na zona de reação dos elétrodos. A agitação ultrassónica produz micromovimentos intensos na solução, fornecendo e transportando matéria-prima e produto de e para os elétrodos.
Exemplos de processos de sonoeletrocoagulação bem-sucedidos são a redução de Cr(VI) a Cr(III) nas águas residuais farmacêuticas, a remoção de fósforo total de efluentes da indústria de química fina com uma eficiência de remoção de fósforo de 99,5% em 10 min., a remoção de cor e de carência química de oxigénio (CQO) de efluentes da indústria da pasta e do papel, etc. As eficiências de remoção de cor, CQO, Cr(VI), Cu(II) e P relatadas foram de 100%, 95%, 100%, 97,3% e 99,84%, respetivamente. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradação sonoeletroquímica de poluentes

As reações eletroquímicas de oxidação e/ou redução promovidas por ultrassons são aplicadas como um método potente para degradar poluentes químicos. Os mecanismos sonomecânicos e sonoquímicos promovem a degradação eletroquímica de poluentes. A cavitação gerada por ultrassons produz agitação intensa, micromistura, transferência de massa e remoção das camadas passivantes dos elétrodos. Estes efeitos de cavitação resultam principalmente numa melhoria da transferência de massa sólido-líquido entre os elétrodos e a solução. Os efeitos sonoquímicos afetam diretamente as moléculas. A clivagem homolítica das moléculas cria oxidantes altamente reativos. Em meios aquosos e na presença de oxigénio, são produzidos radicais como HO•, HO2• e O•. Sabe-se que os radicais •OH são importantes para a decomposição eficiente de materiais orgânicos. Globalmente, a degradação sonoeletroquímica apresenta uma elevada eficiência e é adequada para o tratamento de grandes volumes de fluxos de águas residuais e de outros líquidos poluídos.
Por exemplo, Lllanos et al. (2016) constataram que se obtinham efeitos sinérgicos significativos na desinfeção da água quando o sistema eletroquímico era intensificado por sonicação (desinfeção sonoeletroquímica). Verificou-se que este aumento da taxa de desinfeção estava relacionado com a supressão dos aglomerados de células de E. coli, bem como com uma maior produção de espécies desinfetantes. Esclapez et al. (2010) mostraram que, durante o aumento de escala da degradação do ácido tricloroacético (TCAA), foi utilizado um reator sonoeletroquímico especificamente concebido para o efeito (embora não otimizado), e que a presença do campo ultrassónico gerado pelo UIP1000hd proporcionou melhores resultados (conversão fracionária de 97%, eficiência de degradação de 26%, seletividade de 0,92 e eficiência de corrente de 8%) com intensidades ultrassónicas e caudais volumétricos inferiores. Considerando que o reator sonoeletroquímico pré-piloto ainda não estava otimizado, é muito provável que estes resultados possam ser ainda mais melhorados.

Voltametria ultrassónica e eletrodeposição

A eletrodeposição foi realizada galvanostaticamente com uma densidade de corrente de 15 mA/cm2. As soluções foram submetidas a sonicação antes da eletrodeposição durante 5–60 minutos. Um equipamento da Hielscher, sonicador de sonda UP200S , foi utilizado com um tempo de ciclo de 0,5. A sonicação foi realizada mergulhando diretamente a sonda ultrassónica na solução. Para avaliar o impacto dos ultrassons na solução antes da eletrodeposição, utilizou-se a voltametria cíclica (CV) para revelar o comportamento da solução e permitir prever as condições ideais para a eletrodeposição. Observa-se que, quando a solução é submetida a sonicação antes da eletrodeposição, a deposição começa com valores de potencial menos negativos. Isto significa que, para a mesma corrente na solução, é necessário um potencial menor, uma vez que as espécies na solução se comportam de forma mais ativa do que nas soluções não submetidas a sonicação. (cf. Yurdal & Karahan 2017)
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Sondas eletroquímicas de elevado desempenho e SonoElectroReactors

A Hielscher Ultrasonics é o seu parceiro com muitos anos de experiência em sistemas ultrassónicos de elevado desempenho. Fabricamos e distribuímos sondas e reatores ultrassónicos de última geração, utilizados em todo o mundo em aplicações de serviço pesado em ambientes exigentes. Para a sonoeletroquímica, a Hielscher desenvolveu sondas ultrassónicas especiais, que podem atuar como cátodo e/ou ânodo, bem como células de reator ultrassónicas adequadas para reações eletroquímicas. Os elétrodos e as células ultrassónicos estão disponíveis para sistemas galvânicos / voltaicos, bem como para sistemas eletrolíticos.

Amplitudes controláveis com precisão para resultados ótimos

Todos os processadores ultrassónicos Hielscher são controláveis com precisão, sendo, por isso, equipamentos de trabalho fiáveis em I&D e na produção. A amplitude é um dos parâmetros cruciais do processo que influenciam a eficiência e a eficácia das reações induzidas por via sonoquímica e sonomecânica. Todos os processadores da Hielscher Ultrasonics permitem o ajuste preciso da amplitude. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas e a intensidade ultrassónica necessária para aplicações sonoeletroquímicas exigentes. É possível operar facilmente de forma contínua com amplitudes de até 200µm em funcionamento 24/7.
Os ajustes precisos da amplitude e a monitorização permanente dos parâmetros do processo ultrassónico através de software inteligente permitem-lhe influenciar com precisão a reação sonoeletroquímica. Durante cada ciclo de sonicação, todos os parâmetros ultrassónicos são automaticamente registados num cartão SD integrado, para que cada ciclo possa ser avaliado e controlado. Sonicação ótima para as reações sonoeletroquímicas mais eficientes!
Todo o equipamento é concebido para utilização 24/7/365 em plena carga, e a sua robustez e fiabilidade fazem dele um equipamento de trabalho resistente no seu processo eletroquímico. Isto torna o equipamento ultrassónico da Hielscher uma ferramenta de trabalho fiável que satisfaz os requisitos do seu processo sonoeletroquímico.

A mais elevada qualidade – Concebidos e fabricados na Alemanha

Enquanto empresa de propriedade e gestão familiares, a Hielscher dá prioridade aos mais elevados padrões de qualidade para os seus processadores ultrassónicos. Todos os sonicadores são concebidos, fabricados e exaustivamente testados na nossa sede em Teltow, perto de Berlim, na Alemanha. A robustez e a fiabilidade do equipamento ultrassónico da Hielscher fazem dele um equipamento de trabalho resistente na sua produção. O funcionamento 24/7 em plena carga e em ambientes exigentes é uma característica natural das sondas e dos reatores ultrassónicos de elevado desempenho da Hielscher.

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