Sono-Eletroquímica e suas vantagens

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

Porquê aplicar os ultra-sons à eletroquímica?

A combinação de ondas de ultra-sons de baixa frequência e de alta intensidade com sistemas electroquímicos apresenta múltiplas vantagens, que melhoram a eficiência e a taxa de conversão das reacções electroquímicas.

O princípio de funcionamento dos ultra-sons

Para o processamento ultrassónico de alto desempenho, os ultra-sons de alta intensidade e baixa frequência são gerados por um gerador de ultra-sons e transmitidos através de uma sonda ultra-sónica (sonotrodo) para um líquido. Os ultra-sons de alta potência são considerados ultra-sons na gama de 16-30kHz. A sonda de ultra-sons expande-se e contrai-se, por exemplo, a 20 kHz, transmitindo assim respetivamente 20.000 vibrações por segundo para o meio. Quando as ondas ultra-sónicas atravessam o líquido, os 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-expansão, as cavidades no líquido crescem até atingirem um tamanho em que não conseguem absorver mais energia. Nessa altura, implodem violentamente. A implosão dessas cavidades resulta em vários efeitos altamente energéticos, que são conhecidos como o fenómeno da cavitação acústica / ultra-sónica. A cavitação acústica é caracterizada por vários efeitos altamente energéticos, que afectam os líquidos, os sistemas sólido/líquido e os sistemas gás/líquido. A zona de energia densa ou zona de cavitação é conhecida como a chamada zona de ponto quente, que é mais densa em energia nas proximidades da sonda ultra-sónica e diminui com o aumento da distância do sonotrodo. As principais caraterísticas da cavitação ultra-sónica incluem a ocorrência local de temperaturas e pressões muito elevadas e respectivos diferenciais, turbulências e fluxo de líquido. Durante a implosão de cavidades ultra-sónicas em pontos quentes ultra-sónicos, podem ser medidas temperaturas de até 5000 Kelvin, pressões de até 200 atmosferas e jactos de líquido com até 1000km/h. Estas condições excecionalmente intensas em termos de energia contribuem para efeitos sonomecânicos e sonoquímicos que intensificam os sistemas electroquímicos de várias formas.

Os efeitos dos ultra-sons nos sistemas electroquímicos

A aplicação de ultra-sons a reacções electroquímicas é conhecida pelos seus diversos efeitos sobre os eléctrodos, isto é, o ânodo e o cátodo, bem como sobre a solução electrolítica. A cavitação ultra-sónica e o fluxo acústico geram micro-movimentos significativos, impingindo jactos de líquido e agitação no fluido de reação. Isto resulta numa melhor hidrodinâmica e movimento da mistura líquido/sólido. A cavitação ultra-sónica reduz a espessura efectiva da camada de difusão num elétrodo. Uma camada de difusão reduzida significa que a sonicação minimiza a diferença de concentração, o que significa que a convergência da concentração na vizinhança de um elétrodo e o valor da concentração na solução a granel são promovidos por ultra-sons. A influência da agitação ultra-sónica sobre os gradientes de concentração durante a reação assegura a alimentação permanente de solução fresca para o elétrodo e o transporte do material reagido. Isto significa que a sonicação melhorou a cinética global, acelerando a taxa de reação e aumentando o rendimento da reação.
Através da introdução de energia ultra-sónica no sistema, bem como da formação sonoquímica de radicais livres, podem ser iniciadas reacções electroquímicas que, de outro modo, teriam sido electroactivas. Outro efeito importante da vibração e do fluxo acústico é o efeito de limpeza das superfícies dos eléctrodos. As camadas passivantes e as incrustações nos eléctrodos limitam a eficiência e a taxa de reação das reacções electroquímicas. A ultrassonografia mantém os eléctrodos permanentemente limpos e totalmente activos para a reação.Ultrasonication é bem conhecido por seus efeitos de desgaseificação, que são benéficos em reações eletroquímicas, também. Removendo gases indesejados do líquido, a reação pode correr mais eficaz.

Aplicações da Sonoelectroquímica

A sonoelectroquímica pode ser aplicada a vários processos e em diferentes indústrias. As aplicações muito comuns da sonoelectroquímica incluem as seguintes:

• Síntese de nanopartículas (electrossíntese)
• síntese de hidrogénio
• eletrocoagulação
• Tratamento de águas residuais
• Quebra de emulsões
• Galvanoplastia / Eletrodeposição
• aquecimento óhmico

Síntese Sono-Eletroquímica de Nanopartículas

Ultrasonication foi aplicado com sucesso para sintetizar várias nanopartículas em um sistema eletroquímico. Magnetite, nanotubos de cádmio-selénio (CdSe), nanopartículas de platina (NPs), NPs de ouro, magnésio metálico, bismuteno, nano-prata, cobre ultrafino, nanopartículas de liga de tungsténio-cobalto (W-Co), nanocompósito de óxido de grafeno reduzido, nanopartículas de cobre revestidas com poli (ácido acrílico) sub-1nm e muitos outros pós de tamanho nanométrico foram produzidos com sucesso utilizando sonoelectroquímica.
As vantagens da síntese sonoelectroquímica de nanopartículas incluem

• evitar agentes redutores e tensioactivos
• utilização da água como solvente
• ajuste do tamanho das nanopartículas através da variação dos parâmetros (potência ultra-sónica, densidade de corrente, potencial de deposição e tempos de impulso ultrassónico vs. eletroquímico)

Ashasssi-Sorkhabi e Bagheri (2014) sintetizaram filmes de polipirrol sonoelectroquimicamente e compararam os resultados com filmes de polipirrol sintetizados electrocamente. Os resultados mostram que a sonoelectrodeposição galvanostática produziu um filme de polipirrol (PPy) fortemente aderente e liso sobre aço, com uma densidade de corrente de 4 mA cm-2 em solução de ácido oxálico 0,1 M/0,1 M de pirrol. Utilizando a polimerização sonoelectroquímica, obtiveram películas de PPy resistentes e de elevada resistência com uma superfície lisa. Foi demonstrado que os revestimentos de PPy preparados por sonoelectroquímica proporcionam uma proteção substancial contra a corrosão do 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 ultra-sons aumentarem a transferência de massa dos reagentes e provocarem elevadas taxas 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/meio corrosivo foi verificada utilizando as transformadas KK, tendo sido observados erros médios baixos.

Hass e Gedanken (2008) relataram a síntese sono-eletroquímica bem sucedida de nanopartículas de magnésio metálico. As eficiências no processo sonoelectroquímico do reagente de Gringard em tetrahidrofurano (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 Sono-Eletroquímica de Hidrogénio

A eletrólise promovida por ultra-sons aumenta significativamente o rendimento de hidrogénio a partir de água ou de soluções alcalinas. Clique aqui para ler mais sobre a síntese de hidrogénio eletrolítico acelerado por ultra-sons!

Eletrocoagulação assistida por ultra-sons

A aplicação de ultra-sons de baixa frequência a sistemas de eletrocoagulação é conhecida como sono-eletrocoagulação. 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 ultra-sons na eletrocoagulação é explicado pela redução da passivação do elétrodo. Os ultra-sons de baixa frequência e alta intensidade destroem a camada sólida depositada e removem-na eficazmente, mantendo assim os eléctrodos continuamente activos. Além disso, os ultra-sons activam ambos os tipos de iões, isto é, catiões e aniões, presentes na zona de reação dos eléctrodos. A agitação ultra-sónica resulta num elevado micro-movimento da solução que alimenta e transporta a matéria-prima e o produto de e para os eléctrodos.
Exemplos de processos de sono-eletrocoagulação bem sucedidos são a redução de Cr(VI) a Cr(III) nas águas residuais farmacêuticas, a remoção de fósforo total de efluentes da indústria química fina com uma eficiência de remoção de fósforo de 99,5% em 10 minutos, a remoção de cor e CQO de efluentes da indústria de pasta e papel, etc. As eficiências de remoção relatadas para cor, CQO, Cr(VI), Cu(II) e P foram de 100%, 95%, 100%, 97,3% e 99,84%, respetivamente. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradação Sono-Eletroquímica de Poluentes

As reacções de oxidação e/ou redução electroquímicas promovidas por ultra-sons são aplicadas como um método poderoso para degradar poluentes químicos. Os mecanismos sonomecânicos e sonoquímicos promovem a degradação eletroquímica dos poluentes. A cavitação gerada por ultra-sons resulta em agitação intensa, micro-mistura, transferência de massa e remoção de camadas passivantes dos eléctrodos. Estes efeitos cavitacionais resultam principalmente num aumento da transferência de massa sólido-líquido entre os eléctrodos e a solução. Os efeitos sonoquímicos afectam diretamente as moléculas. A clivagem homolítica das moléculas cria oxidantes altamente reactivos. Em meios aquosos e na presença de oxigénio, são produzidos radicais como HO-, HO2- e O-. Os radicais -OH são conhecidos por serem importantes para a decomposição eficiente de materiais orgânicos. Em geral, a degradação sono-eletroquímica mostra uma elevada 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 desinfeção da água quando o sistema eletroquímico foi intensificado por sonicação (desinfeção sono-eletroquímica). Este aumento na taxa de desinfeção foi encontrado para estar relacionado com a supressão E. coli aggolomerados celulares, bem como uma maior produção de espécies desinfectantes. Esclapez et al. (2010) mostraram que um reator sonoeletroquímico especificamente projetado (no entanto 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 forneceu melhores resultados (conversão fracionária 97%, eficiência de degradação 26%, seletividade 0,92 e eficiência atual 8%) em intensidades ultra-sônicas mais baixas e fluxo volumétrico. Considerando o facto de que o reator sonoelectroquímico pré-piloto ainda não foi optimizado, é muito provável que estes resultados possam ser ainda mais melhorados.

Voltametria ultra-sónica e eletrodeposição

A eletrodeposição foi realizada galvanostaticamente a uma densidade de corrente de 15 mA/cm2. As soluções foram submetidas a ultra-sons antes da eletrodeposição durante 5-60 minutos. Um Hielscher UP200S ultrasonicador tipo sonda foi utilizado com um tempo de ciclo de 0,5. A ultrassonografia foi conseguida mergulhando diretamente a sonda de ultra-sons na solução. Para avaliar o impacto de ultra-sons sobre a solução antes da eletrodeposição, a voltametria cíclica (CV) foi utilizado a fim de revelar o comportamento da solução e torna possível prever as condições ideais para a eletrodeposição. Observa-se que quando a solução é submetida a ultra-sons antes da eletrodeposição, a deposição começa em valores de potencial menos negativos. Isto significa que, com a mesma corrente na solução, é necessário um menor potencial, uma vez que as espécies na solução se comportam mais activas do que nas não ultrasonicadas. (cf. Yurdal & Karahan 2017)
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Sondas Electroquímicas de Alto Desempenho e SonoElectroReactores

A Hielscher Ultrasonics é o seu parceiro experiente de longa data para sistemas de ultra-sons de alto desempenho. Fabricamos e distribuímos sondas e reactores ultra-sónicos de última geração, que são utilizados em todo o mundo para aplicações pesadas em ambientes exigentes. Para a sonoelectroquímica, a Hielscher desenvolveu sondas ultra-sónicas especiais, que podem atuar como cátodo e/ou ânodo, bem como células de reactores ultra-sónicos adequadas para reacções electroquímicas. Os eléctrodos e células ultra-sónicos estão disponíveis para sistemas galvânicos / voltaicos e electrolíticos.

Amplitudes controláveis com precisão para resultados óptimos

Todos os processadores ultra-sónicos da Hielscher são controlados com precisão e, por isso, são cavalos de batalha fiáveis em R&D e produção. A amplitude é um dos parâmetros cruciais do processo que influenciam a eficiência e a eficácia das reacções induzidas sonoquimicamente e sonomecanicamente. Todos os produtos Hielscher Ultrasonics’ permitem o ajuste preciso da amplitude. Os processadores ultra-sónicos industriais da Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas e fornecer a intensidade ultra-sónica necessária para aplicações sono-electroquímicas exigentes. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7.
Os ajustes precisos da amplitude e a monitorização permanente dos parâmetros do processo ultrassónico através de um software inteligente dão-lhe a possibilidade de influenciar a reação sonoelectroquímica com precisão. Durante cada execução de sonicação, todos os parâmetros ultra-sônicos são automaticamente gravados em um cartão SD embutido, de modo que cada execução pode ser avaliada e controlada. Sonicação óptima para reacções sonoelectroquímicas mais eficientes!
Todo o equipamento é construído para ser utilizado 24 horas por dia, 7 dias por semana, 365 dias por ano, em plena carga, e a sua robustez e fiabilidade fazem dele o cavalo de batalha do seu processo eletroquímico. Isto faz do equipamento ultrassónico da Hielscher uma ferramenta de trabalho fiável que satisfaz os requisitos do seu processo sonoelectroquímico.

Qualidade mais elevada – Concebido e fabricado na Alemanha

Sendo uma empresa familiar, a Hielscher dá prioridade aos mais elevados padrões de qualidade para os seus processadores ultra-sónicos. Todos os ultrassons 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 cavalo de batalha na sua produção. O funcionamento 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total e em ambientes exigentes é uma caraterística natural das sondas e reactores ultra-sónicos de alto desempenho da Hielscher.

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