Hielscher tecnologia de ultra-som

Sono-Eletroquímica e suas Vantagens

Aqui você encontrará tudo o que você precisa saber sobre eletroquímica ultrassônica (sonoeletristria): princípio de trabalho, aplicações, vantagens e equipamentos sono-eletroquímicos – todas as informações relevantes sobre sonoelectroquímica em uma página.

Por que aplicar ultrassônicos à eletroquímica?

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

O Princípio de Trabalho dos Ultrassônicos

Para processamento ultrassônico de alto desempenho, o ultrassom de alta intensidade e baixa frequência é gerado por um gerador de ultrassom e transmitido através de uma sonda ultrassônica (sonotrode) em um líquido. O ultrassom de alta potência é considerado ultrassom na faixa de 16-30kHz. A sonda de ultrassom expande e contrai, por exemplo, a 20kHz, transmitindo respectivamente 20.000 vibrações por segundo para o meio. Quando as ondas ultrassônicas viajam através do líquido, alternando ciclos de alta pressão (compressão) / baixa pressão (rarefação ou expansão) criam bolhas de vácuo minúsculas 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 expansão da compressão, as cavidades no líquido crescem até atingirem um tamanho, no qual não conseguem absorver mais energia. Neste 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 impactam líquidos, sistemas sólidos/líquidos, bem como sistemas gás/líquido. A zona densa de energia ou zona cavitacional é conhecida como a chamada zona de ponto quente, que é mais densa em energia nas proximidades da sonda ultrassônica e diminui com a distância crescente do sonotrodo. As principais características da cavitação ultrassônica incluem temperaturas e pressões muito altas e respectivos diferenciais, turbulências e fluxo líquido. Durante a implosão de cavidades ultrassônicas em pontos quentes ultrassônicos, temperaturas de até 5000 Kelvin, pressões de até 200 atmosferas e jatos líquidos com até 1000km/h podem ser medidas. Essas excelentes condições de intensidade energética contribuem para efeitos sonoecânicos e sonológicos que intensificam sistemas eletroquímicos de várias maneiras.

Ultrasonic electrodes for sonoelectrochemical applications such as nanoparticle synthesis (electrosynthesis), hydrogen synthesis, electrocoagulation, wastewater treatment, breaking emulsions, electroplating / electrodeposition

As sondas dos processadores ultrassônicos UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) agir como cátodo e ânodo em uma célula eletrolítica

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Efeitos ultrassônicos em reações eletroquímicas

  • Aumenta a transferência de massa
  • Erosão / dispersões de sólidos (eletrólitos)
  • Interrupção de limites sólidos/líquidos
  • Ciclos de alta pressão

Os Efeitos dos Ultrassônicos em Sistemas Eletroquímicos

A aplicação da ultrassônica às reações eletroquímicas é conhecida por vários efeitos sobre os eletrodos, ou seja, ânodo e cátodo, bem como a solução eletrolítica. Cavitação ultrassônica e fluxo acústico geram micro-movimento significativo, impingindo jatos líquidos e agitação no fluido de reação. Isso resulta em melhora na hidrodinâmica e no 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 sônica minimiza a diferença de concentração, o que significa que a convergência da concentração nas proximidades de um eletrodo e o valor de concentração na solução a granel são promovidos ultrassonicamente. A influência da agitação ultrassônica nos gradientes de concentração durante a reação garante a alimentação permanente de uma solução fresca para o eletrodo e a carting fora do material reagido. Isso significa que a sônica melhorou a cinética geral acelerando a taxa de reação e aumentando o rendimento da reação.
Com a introdução de energia ultrassônica no sistema, bem como a formação sonoquíica de radicais livres, a reação eletroquímica, que de outra forma teria sido eletroinativa, pode ser iniciada. 
Outro efeito importante da vibração acústica e do streaming é o efeito de limpeza sobre as superfícies do eletrodo. Camadas passivantes e incrustamento nos eletrodos limitam a eficiência e a taxa de reação das reações eletroquímicas. A ultrassonização mantém os eletrodos permanentemente limpos e totalmente ativos para reação. A ultrassônica é bem conhecida por seus efeitos de desgassing, que também são benéficos em reações eletroquímicas. Removendo gases indesejados do líquido, a reação pode ser mais eficaz.

Benefícios da Eletroquímica Ultrasonicamente Promovida

  • Aumento dos rendimentos eletroquímicos
  • 􏰭A velocidade de reação eletroquímica em 􏰭Enhanced
  • Melhor eficiência geral
  • Redução da difusão 􏰭cameiras
  • Melhor transferência de massa no eletrodo
  • Ativação de superfície no eletrodo
  • Remoção de camadas passivating e incrusção
  • 􏰭Reduzido eletrode superpotenciais 􏰭
  • Desgaseamento eficiente da solução
  • Qualidade de eletroplato superior
Ultrasonic electrodes improve the efficiency, yield and conversion rate of electrochemical processes.

A sonda ultrassônica funciona como eletrodo. As ondas de ultrassom promovem reações eletroquímicas, resultando em maior eficiência, maiores rendimentos e taxas de conversão mais rápidas.
Quando a sônica é combinada com eletroquímica, isso é sono-eletroquímica.

Aplicações da Sonoeletristria

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

  • Síntese de nanopartículas (eletrosíntese)
  • Síntese de hidrogênio
  • Electrocoagulation
  • Tratamento de águas residuais
  • Quebrando emulsões
  • Eletroplaping / Eletrodeposição

Síntese Sono-Eletroquímica de Nanopartículas

A ultrassônica foi bem sucedida aplicada para sintetizar várias nanopartículas em um sistema eletroquímico. Nanotubos magnetita, cádmio-selênio (CdSe), nanopartículas de platina (NPs), NPs de ouro, magnésio metálico, bismuthena, nano-prata, cobre ultrafina, nanopartículas de liga-cobalto (W-Co), nanocomposite de óxido de grafeno reduzido, nanopartículas de cobre sub-1nm (ácido acrílico) e muitos outros pó nano-dimensionados foram produzidos com sucelologia.
As vantagens da síntese de nanopartículas sonoelétrica incluem o

  • evitar a redução de agentes e surfactantes
  • uso da água como solvente
  • ajuste do tamanho da nanopartícula por parâmetros variados (potência ultrassônica, densidade atual, potencial de deposição e os tempos de pulso ultrassônico vs eletroquímico)

Ashassi-Sorkhabi e Bagheri (2014) sintetizaram filmes de polipiroléle sonoetroquímicos e compararam os resultados com filmes de polipirorrole eletrocheticamente sintetizados. Os resultados mostram que a sonoeleção galvanática produziu uma fortemente aderente e suave película de polipirto (PPy) em aço, com uma densidade atual de 4 mA cm-2 em 0,1 M de ácido oxalico/solução de pirrole de 0,1 M. Usando polimerização sonoeletrrópica, eles obtiveram filmes PPy de alta resistência e resistentes com superfície lisa. Foi demonstrado que os revestimentos PPy preparados pela sonoeletristria fornecem proteção substancial de corrosão ao aço St-12. O revestimento sintetizado era uniforme e apresentava alta resistência à corrosão. Todos esses resultados podem ser atribuídos ao fato de que o ultrassom aumentou a transferência em massa dos reagentes e causou altas taxas de reação química através da cavitação acústica e das altas temperaturas e pressões resultantes. A validade dos dados de impedância para o aço St-12/dois revestimentos PPy/interface de mídia corrosiva foi verificada usando as transformações KK, e erros médios baixos foram observados.

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

Produção de hidrogênio sono-eletroquímico

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

Eletrocoagulação ultrasonicamente assistida

The application of low-frequency ultrasound to electrocoagulcation systems is known as sono-electrocoagulation. Studies show that sonication influences electrocoagulation positively resulting e.g., in higher removal efficiency of iron hydroxides from wastewater. The positive impact of ultrasonics on electrocoagulation is explained by the reduction of electrode passivation. Low-frequency, high-intensity ultrasound destructs deposited solid layer and removes them efficiently, thereby keeping the electrodes continuously fully active. Furthermore, ultrasonics activates both ion types, i.e. cations and anions, present in the electrodes reaction zone. Ultrasonic agitation results in high micro-movement of the solution feeding and carrying away raw material and product to and from the electrodes.
Exemplos para os processos de sono-eletrocoagulação bem-sucedidos são a redução de Cr(VI) para Cr(III) no esgoto farmacêutico, a remoção do fósforo total dos efluentes da indústria química fina com eficiência de remoção de fósforo foi de 99,5% dentro de 10 min., remoção de cor e COD de efluentes da indústria de celulose e papel etc. As eficiências de remoção relatadas para cor, COD, Cr(VI), Cu(II) e P foram de 100%, 95%, 100%, 97,3% e 99,84%, respectivamente. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradação Sono-Eletroquímica de Poluentes

As reações eletroquímicas ultrasonicamente promovidas e/ou reações de redução são aplicadas como método poderoso para degradar o poluente químico. Mecanismos sonolecológicos e sonoquímicos promovem a degradação eletroquímica dos poluentes. A cavitação ultrasonicamente gerada resulta em agitação intensa, micro-mistura, transferência de massa e remoção de camadas passivantes dos eletrodos. Esses efeitos cavitacionais resultam principalmente em um aprimoramento da transferência de massa líquido-sólido entre os eletrodos e a solução. Efeitos sonológicos afetam diretamente as moléculas. O decote homolítico das moléculas cria oxidantes altamente reativos. Na mídia aquosa e na presença de oxigênio, são produzidos radicais como HO•, HO2• e O• •Os radicais de OH são conhecidos por serem importantes para a decomposição eficiente de materiais orgânicos. No geral, a degradação sono-eletroquímica 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 foram obtidos efeitos sinergísticos significativos para desinfecção da água quando o sistema eletroquímico foi intensificado pela sonicação (desinfecção sono-eletroquímica). Esse aumento na taxa de desinfecção foi encontrado relacionado à supressão de células E. coli, bem como a uma produção aprimorada de espécies desinfetantes. 
Esclapez et al. (2010) mostraram que um reator sonoeletrônico especificamente projetado (porém não otimizado) foi utilizado durante a escala de degradação do ácido tricloroacético (TCAA), a presença de campo de ultrassom gerado com o UIP1000hd proporcionou melhores resultados (conversão fracionada 97%, eficiência de degradação 26%, seletividade 0,92 e eficiência atual 8%) em intensidades ultrassônicas mais baixas e fluxo volumoso. Considerando o fato de que o reator sonoeletrônico pré-piloto ainda não foi otimizado, é muito provável que esses resultados possam ser ainda mais melhorados.

Voltametria ultrassônica e Eletroposição

A eletrodeposição foi realizada galvanostaticamente na densidade atual de 15 mA/cm2. As soluções foram submetidas à ultrassonação antes da eletrodeposição por 5 a 60 minutos. Um Hielscher Ultrassonicador tipo sonda UP200S foi usado em um tempo de ciclo de 0,5. A ultrassonização foi alcançada 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 possibilita prever condições ideais para a eletrodeposição. Observa-se que quando a solução é submetida à ultrassônica antes da eletrodeposição, a deposição começa a valores potenciais menos negativos. Isso significa que, na mesma corrente na solução, menos potencial é necessário, pois as espécies na solução se comportam mais ativas do que nas não ultrassonicadas. (cf. Yurdal & Karahan 2017)

Ultrassônico UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) como Cathode e/ou Anodo em um Tanque

Ultrassônico UIP2000hdT (2000 watts, 20kHz) como Cathode e/ou Anodo em um Tanque

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Sondas eletroquímicas de alto desempenho e sonoelectroreatores

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

Amplitudes controláveis precisas para resultados ótimos

Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.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 de processo cruciais que influenciam a eficiência e eficácia das reações sonoraquimicamente e sonomecanicamente induzidas. Todos os Ultrassônicos Hielscher’ os processadores permitem a configuração precisa da amplitude. Os processadores ultrassônicos industriais da Hielscher podem fornecer amplitudes muito altas e fornecer a intensidade ultrassônica necessária para aplicações sono-eletrocrâmicas exigentes. Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7.
Configurações de amplitude precisas e o monitoramento permanente dos parâmetros do processo ultrassônico via software inteligente dão-lhe a possibilidade de influenciar a reação sonoeletrônica com precisão. Durante cada execução de sônica, todos os parâmetros ultrassônicos são automaticamente registrados em um cartão SD embutido, para que cada execução possa ser avaliada e controlada. Sonicação ideal para as reações sonoeletrônicas mais eficientes!
Todos os equipamentos são construídos para o uso 24/7/365 sob carga total e sua robustez e confiabilidade fazem dele o cavalo de trabalho em seu processo eletroquímico. Isso faz do equipamento ultrassônico da Hielscher uma ferramenta de trabalho confiável que preenche seus requisitos de processo sonoeletrônico.

Alta Qualidade – Projetado e fabricado na Alemanha

Como um negócio familiar e familiar, a Hielscher prioriza os mais altos padrões de qualidade para seus processadores ultrassônicos. Todos os ultrassonicadores são projetados, fabricados e completamente testados em nossa sede em Teltow, perto de Berlim, Alemanha. Robustez e confiabilidade do equipamento ultrassônico de Hielscher fazem dele um cavalo de trabalho em sua produção. A operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes exigentes, é uma característica natural das sondas e reatores ultrassônicos de alto desempenho da Hielscher.

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratoria, piloto e industrial.

Literatura / Referências