Sono-Eletroquímica e suas Vantagens

Aqui você encontrará tudo o que precisa saber sobre eletroquímica ultrassônica (sonoeletroquímica): princípio de funcionamento, aplicações, vantagens e equipamentos sonoeletroquímicos – Todas as informações relevantes sobre sonoeletroquímica em uma página.

Por que aplicar o ultrassom à eletroquímica?

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

O princípio de funcionamento do ultrassom

Para processamento ultrassônico de alto desempenho, o ultrassom de alta intensidade e baixa frequência é gerado por um gerador de ultrassom e transmitido por meio de uma sonda ultrassônica (sonotrodo) para um líquido. O ultrassom de alta potência é considerado ultrassom na faixa de 16-30kHz. A sonda de ultrassom se expande e se contrai, por exemplo, a 20kHz, transmitindo assim, respectivamente, 20.000 vibrações por segundo para o meio. Quando as ondas ultrassônicas viajam através do líquido, ciclos alternados de alta pressão (compressão) / baixa pressão (rarefação ou expansão) criam minúsculas bolhas ou cavidades de vácuo, 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-expansão, as cavidades no líquido crescem até atingirem um tamanho no qual não podem absorver mais energia. Nesse ponto, eles implodem violentamente. A implosão dessas cavidades resulta em vários efeitos altamente energéticos, que são conhecidos como o fenômeno da cavitação acústica / ultrassônica. A cavitação acústica é caracterizada por múltiplos efeitos altamente energéticos, que afetam líquidos, sistemas sólidos/líquidos, bem como sistemas gás/líquidos. A zona densa de energia ou zona de cavitação é conhecida como a chamada zona de ponto quente, que é mais densa em energia nas proximidades da sonda ultrassônica e diminui com o aumento da distância do sonotrodo. As principais características da cavitação ultrassônica incluem temperaturas e pressões muito altas que ocorrem localmente e respectivos diferenciais, turbulências e fluxo de líquido. Durante a implosão de cavidades ultrassônicas em pontos quentes ultrassônicos, temperaturas de até 5000 Kelvin, pressões de até 200 atmosferas e jatos de líquido com até 1000km/h podem ser medidas. Essas excelentes condições de intensidade de energia contribuem para efeitos sonomecânicos e sonoquímicos que intensificam os sistemas eletroquímicos de várias maneiras.

Os efeitos do ultrassom em sistemas eletroquímicos

A aplicação da ultrassonografia a reações eletroquímicas é conhecida por vários efeitos nos eletrodos, ou seja, ânodo e cátodo, bem como na solução eletrolítica. A cavitação ultrassônica e o fluxo acústico geram micromovimentos significativos, impingindo jatos de líquido e agitação no fluido de reação. Isso resulta em melhor hidrodinâmica e movimento da mistura líquido/sólido. A cavitação ultrassônica reduz a espessura efetiva da camada de difusão em um eletrodo. Uma camada de difusão reduzida significa que a sonicação minimiza a diferença de concentração, o que significa que a convergência da concentração nas proximidades de um eletrodo e o valor da concentração na solução a granel são promovidos por ultrassom. A influência da agitação ultrassônica nos gradientes de concentração durante a reação garante a alimentação permanente de solução fresca para o eletrodo e o transporte do material reagido. Isso significa que a sonicação melhorou a cinética geral, acelerando a taxa de reação e aumentando o rendimento da reação.
Pela introdução de energia ultrassônica no sistema, bem como pela formação sonoquímica de radicais livres, a reação eletroquímica, que de outra forma teria sido eletroinativa, pode ser iniciada. 
Outro efeito importante da vibração acústica e do fluxo é o efeito de limpeza sobre as superfícies dos eletrodos. Camadas passivantes e incrustações nos eletrodos limitam a eficiência e a taxa de reação das reações eletroquímicas. A ultrassonografia mantém os eletrodos permanentemente limpos e totalmente ativos para a reação. A ultrassonografia é bem conhecida por seus efeitos de desgaseificação, que também são benéficos em reações eletroquímicas. Removendo gases indesejados do líquido, a reação pode ser mais eficaz.

Aplicações da Sonoeletroquímica

A sonoeletroquímica pode ser aplicada a vários processos e em diferentes indústrias. Aplicações muito comuns de sonoeletroquímica incluem o seguinte:

• Síntese de nanopartículas (eletrossíntese)
• síntese de hidrogênio
• Electrocoagulation
• Tratamento de águas residuais
• Quebrando emulsões
• Galvanoplastia / Eletrodeposição

Síntese sonoeletroquímica de nanopartículas

A ultrassonografia foi aplicada com sucesso para sintetizar várias nanopartículas em um sistema eletroquímico. Magnetita, nanotubos de cádmio-selênio (CdSe), nanopartículas de platina (NPs), NPs de ouro, magnésio metálico, bismuteno, nano-prata, cobre ultrafino, nanopartículas de liga de tungstênio-cobalto (W-Co), nanocompósito de samaria / óxido de grafeno reduzido, nanopartículas de cobre cobertas de poli (ácido acrílico) sub-1nm e muitos outros pós de tamanho nanométrico foram produzidos com sucesso usando sonoeletroquímica.
As vantagens da síntese de nanopartículas sonoeletroquímicas incluem o

• evitar agentes redutores e surfactantes
• Uso de água como solvente
• Ajuste do tamanho da nanopartícula por parâmetros variáveis (potência ultrassônica, densidade de corrente, potencial de deposição e tempos de pulso ultrassônico versus eletroquímico)

Ashasssi-Sorkhabi e Bagheri (2014) sintetizaram filmes de polipirrol sonoeletroquimicamente e compararam os resultados com filmes de polipirrol sintetizados eletroqueicamente. Os resultados mostram que a sonoeletrodeposição galvanostática produziu um filme de polipirrol (PPy) fortemente aderente e liso no aço, com uma densidade de corrente de 4 mA cm–2 em solução de ácido oxálico 0,1 M/pirrol 0,1 M. Usando polimerização sonoeletroquímica, eles obtiveram filmes PPy de alta resistência e resistência com superfície lisa. Foi demonstrado que os revestimentos PPy preparados por sonoeletroquímica fornecem proteção substancial contra corrosão ao aço St-12. O revestimento sintetizado foi uniforme e exibiu alta resistência à corrosão. Todos esses resultados podem ser atribuídos ao fato de que o ultrassom aumentou a transferência de massa dos reagentes e causou altas taxas de reação química via cavitação acústica e as altas temperaturas e pressões resultantes. A validade dos dados de impedância para a interface aço St-12/dois revestimentos PPy/meios corrosivos foi verificada usando as transformadas KK, e baixos erros médios foram observados.

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

Produção de hidrogênio sonoeletroquímico

A eletrólise promovida por ultrassom aumenta significativamente o rendimento de hidrogênio a partir de água ou soluções alcalinas. Clique aqui para ler mais sobre a síntese de hidrogênio eletrolítico acelerada por ultrassom!

Eletrocoagulação Assistida por Ultrassom

A aplicação de ultrassom de baixa frequência em sistemas de eletrocoagulação é conhecida como sono-eletrocoagulação. Estudos mostram que a sonicação influencia positivamente a eletrocoagulação, resultando, por exemplo, em maior eficiência de remoção de hidróxidos de ferro das águas residuais. O impacto positivo do ultrassom na eletrocoagulação é explicado pela redução da passivação do eletrodo. O ultrassom de baixa frequência e alta intensidade destrói a camada sólida depositada e a remove com eficiência, mantendo assim os eletrodos continuamente totalmente ativos. Além disso, o ultrassom ativa ambos os tipos de íons, ou seja, cátions e ânions, presentes na zona de reação dos eletrodos. A agitação ultrassônica resulta em alto micromovimento da solução, alimentando e transportando matéria-prima e produto de e para os eletrodos.
Exemplos de processos de sono-eletrocoagulação bem-sucedidos são a redução de Cr(VI) para 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., remoção de cor e DQO de efluentes da indústria de celulose e papel, etc. As eficiências de remoção relatadas para color, DQO, Cr(VI),(II) e P foram de 100%, 95%, 100%, 97,3% e 99,84%, respectivamente. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradação sonoeletroquímica de poluentes

Reações de oxidação e/ou redução eletroquímica promovidas por ultrassom são aplicadas como método poderoso para degradar poluentes químicos. Os mecanismos sonomecânicos e sonoquímicos promovem a degradação eletroquímica dos poluentes. A cavitação gerada por ultrassom resulta em intensa agitação, micromistura, transferência de massa e remoção de camadas passivantes dos eletrodos. Esses efeitos cavitacionais resultam principalmente em um aumento da transferência de massa sólido-líquido entre os eletrodos e a solução. Os efeitos sonoquímicos afetam diretamente as moléculas. A clivagem homolítica de moléculas cria oxidantes altamente reativos. Em meio aquoso e na presença de oxigênio, radicais como HO•, HO2• e O• são produzidos. •Os radicais OH são conhecidos por serem importantes para a decomposição eficiente de materiais orgânicos. No geral, a degradação sonoeletroquímica mostra alta eficiência e é adequada para o tratamento de grandes volumes de fluxos de águas residuais e outros líquidos poluídos.
Por exemplo, Lllanos et al. (2016) descobriram que um efeito sinérgico significativo foi obtido para a desinfecção da água quando o sistema eletroquímico foi intensificado por sonicação (desinfecção sonoeletroquímica). Verificou-se que esse aumento na taxa de desinfecção está relacionado à supressão de aggolomerados de células de E. coli, bem como a uma produção aprimorada de espécies desinfetantes. 
Esclapez et al. (2010) mostraram que um reator sonoeletroquímico especificamente projetado (porém não otimizado) foi usado durante o aumento de escala da degradação do ácido tricloroacético (TCAA), a presença de campo de ultrassom gerado com o UIP1000hd proporcionou melhores resultados (conversão fracionada de 97%, eficiência de degradação de 26%, seletividade de 0,92 e eficiência de corrente de 8%) em intensidades ultrassônicas e fluxo volumétrico mais baixos. Considerando o fato de que o reator sonoeletroquímico pré-piloto ainda não foi otimizado, é muito provável que esses resultados possam ser ainda melhorados.

Voltametria ultrassônica e eletrodeposição

A eletrodeposição foi realizada galvanostaticamente na densidade de corrente de 15 mA/cm2. As soluções foram submetidas à ultrassonografia antes da eletrodeposição por 5 a 60 minutos. Um Hielscher Ultrassônico tipo sonda UP200S foi usado em um tempo de ciclo de 0,5. A ultrassonografia foi obtida mergulhando diretamente a sonda de ultrassom na solução. Para avaliar o impacto ultrassônico na solução antes da eletrodeposição, a voltametria cíclica (CV) foi utilizada para revelar o comportamento da solução e possibilitar a previsão das condições ideais para a eletrodeposição. Observa-se que quando a solução é submetida à ultrassonografia antes da eletrodeposição, a deposição começa com valores potenciais menos negativos. Isso significa que na mesma corrente na solução é necessário menos potencial, pois as espécies na solução se comportam mais ativas do que nas não ultrassônicas. (cf. Yurdal & Karahan 2017)

Sondas eletroquímicas de alto desempenho e SonoElectroReactors

A Hielscher Ultrasonics é seu parceiro experiente de longa data para sistemas ultrassônicos de alto desempenho. Fabricamos e distribuímos sondas e reatores ultrassônicos de última geração, que são usados em todo o mundo para aplicações pesadas em ambientes exigentes. Para a sonoeletroquímica, a Hielscher desenvolveu sondas ultrassônicas especiais, que podem atuar como cátodo e/ou ânodo, bem como células de reatores ultrassônicos adequadas para reações eletroquímicas. Eletrodos e células ultrassônicos estão disponíveis para sistemas galvânicos / voltaicos, bem como eletrolíticos.

Amplitudes controláveis com precisão para resultados ideais

Todos os processadores ultrassônicos Hielscher são precisamente controláveis e, portanto, cavalos de trabalho confiáveis em R&D e produção. A amplitude é um dos parâmetros cruciais do processo que influenciam a eficiência e a eficácia das reações induzidas sonoquimicamente e sonomecanicamente. Todos os ultrassônicos Hielscher’ Os processadores permitem o ajuste preciso da amplitude. Os processadores ultrassônicos industriais da Hielscher podem fornecer amplitudes muito altas e fornecer a intensidade ultrassônica necessária para aplicações ultrassonoeletroquímicas exigentes. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana.
Ajustes precisos de amplitude e o monitoramento permanente dos parâmetros do processo ultrassônico por meio de software inteligente oferecem a possibilidade de influenciar a reação sonoeletroquímica com precisão. Durante cada execução de sonicação, todos os parâmetros ultrassônicos são registrados automaticamente em um cartão SD integrado, para que cada execução possa ser avaliada e controlada. Sonicação ideal para reações sonoeletroquímicas mais eficientes!
Todos os equipamentos são construídos para uso 24/7/365 sob carga total e sua robustez e confiabilidade o tornam o cavalo de batalha em seu processo eletroquímico. Isso torna o equipamento ultrassônico da Hielscher uma ferramenta de trabalho confiável que atende aos requisitos do seu processo sonoeletroquímico.

A mais alta qualidade – Projetado e fabricado na Alemanha

Como uma empresa familiar e familiar, a Hielscher prioriza os mais altos padrões de qualidade para seus processadores ultrassônicos. Todos os ultrassônicos são projetados, fabricados e exaustivamente testados em nossa sede em Teltow, perto de Berlim, Alemanha. A robustez e a confiabilidade do equipamento ultrassônico da Hielscher o tornam um cavalo de batalha em sua produção. A operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total e em ambientes exigentes é uma característica natural das sondas e reatores ultrassônicos de alto desempenho da Hielscher.

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