Electro-sonicare – electrozi cu ultrasunete

Electro-sonicarea este combinarea efectelor electricității cu efectele sonicării. Hielscher Ultrasonics a dezvoltat o metodă nouă și elegantă de a utiliza orice sonotrodă ca electrod. Aceasta plasează puterea ultrasunetelor direct la interfața dintre electrodul cu ultrasunete și lichid. Acolo, ea poate favoriza electroliza, îmbunătăți transferul de masă și rupe straturile limită sau depunerile. Hielscher furnizează echipamente de calitate industrială pentru procese de electro-sonicare, în regim discontinuu (batch) și în flux continuu (inline), la orice scară. Puteți combina electro-sonicarea cu mano-sonicarea (presiune) și cu termo-sonicarea (temperatură).

Aplicații ale electrozilor cu ultrasunete

Aplicarea ultrasunetelor la electrozi este o tehnologie nouă, cu beneficii pentru multe procese diferite din electroliză, galvanizare, electro-purificare, generarea hidrogenului și electro-coagulare, sinteza de particule sau alte reacții electrochimice. Hielscher Ultrasonics are disponibili imediat electrozi cu ultrasunete pentru cercetare și dezvoltare în electroliza la scară de laborator sau la scară pilot. După ce v-ați testat și optimizat procesul electrolitic, puteți utiliza echipamentele cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics de dimensiuni industriale pentru a transpune rezultatele procesului dumneavoastră la nivelurile producției industriale. Mai jos veți găsi sugestii și recomandări pentru utilizarea electrozilor cu ultrasunete.

Sono-electroliza (electroliza cu ultrasunete)

Electroliza este schimbul de atomi și ioni prin îndepărtarea sau adăugarea de electroni ca urmare a aplicării unui curent electric. Produsele electrolizei pot avea o stare fizică diferită de cea a electrolitului. Electroliza poate produce solide, cum ar fi precipitate sau straturi solide pe oricare dintre electrozi. Alternativ, electroliza poate produce gaze, cum ar fi hidrogenul, clorul sau oxigenul. Agitarea cu ultrasunete a unui electrod poate desprinde depunerile solide de pe suprafața electrodului. Degazarea cu ultrasunete produce rapid bule de gaz mai mari din gazele dizolvate ale microbulelor. Aceasta duce la o separare mai rapidă a produselor gazoase de electrolit.

Dispozitivul cu ultrasunete UIP2000hdT (2000 de wați, 20kHz) ca catod și/sau anod într-o celulă electrolitică

Transfer de masă îmbunătățit cu ultrasunete la suprafața electrodului

În timpul procesului de electroliză, produsele se acumulează în apropierea electrozilor sau pe suprafața electrodului. Agitarea cu ultrasunete este un instrument foarte eficient pentru creșterea transferului de masă la nivelul straturilor limită. Acest efect aduce electrolit proaspăt în contact cu suprafața electrodului. Curgerea cavitațională transportă produsele electrolizei, cum ar fi gazele sau solidele, departe de suprafața electrodului. Formarea inhibitoare a straturilor izolatoare este astfel prevenită.

Efectele ultrasunetelor asupra potențialului de descompunere

Agitarea cu ultrasunete a anodului, a catodului sau a ambilor electrozi poate influența potențialul de descompunere sau tensiunea de descompunere. Se știe că cavitația singură rupe molecule, produce radicali liberi sau ozon. Combinarea cavitației cu electroliza într-o electroliză îmbunătățită cu ultrasunete poate influența tensiunea minimă necesară între anodul și catodul unei celule electrolitice pentru ca electroliza să aibă loc. Efectele mecanice și sonochimice ale cavitației pot îmbunătăți, de asemenea, eficiența energetică a electrolizei.

Ultrasunetele în electrorafinare și electroextracție

În procesul de electrorafinare, depunerile solide de metale, cum ar fi cuprul, pot fi transformate într-o suspensie de particule solide în electrolit. În electroextracție, numită și extracție electrolitică, electrodepunerea metalelor din minereurile lor poate fi transformată în precipitat solid. Metalele obținute frecvent prin electroextracție sunt plumbul, cuprul, aurul, argintul, zincul, aluminiul, cromul, cobaltul, manganul, precum și metalele pământurilor rare și metalele alcaline.
Ultrasonicarea este, de asemenea, un mijloc eficient pentru leșierea minereurilor.

Purificarea sono-electrolitică a lichidelor

Purificați un lichid, de ex. o soluție apoasă precum apele uzate, nămolul sau altele similare, conducând soluția prin câmpul electric a doi electrozi! Electroliza poate dezinfecta sau purifica soluțiile apoase. Alimentarea unei soluții de NaCI împreună cu apă prin electrozi sau de-a lungul electrozilor generează Cl2 sau CIO2, care pot oxida impuritățile și dezinfecta apa sau soluțiile apoase. Dacă apa conține suficiente cloruri naturale, adăugarea nu mai este necesară.
Vibrațiile ultrasonice ale electrodului pot face ca stratul limită dintre electrod și apă să fie cât mai subțire posibil. Aceasta poate îmbunătăți transferul de masă cu multe ordine de mărime. Vibrația ultrasonică și cavitația reduc semnificativ formarea de bule microscopice cauzate de polarizare. Utilizarea electrozilor cu ultrasunete pentru electroliză îmbunătățește considerabil procesul de purificare electrolitică.

Sono-electrocoagularea (electrocoagularea cu ultrasunete)

Electrocoagularea este o metodă de tratare a apelor uzate pentru îndepărtarea contaminanților, cum ar fi uleiul emulsionat, hidrocarburile petroliere totale, compușii organici refractari, solidele în suspensie și metalele grele. De asemenea, ionii radioactivi pot fi îndepărtați în scopul purificării apei. Adăugarea ultrasonicării la electrocoagulare, cunoscută și sub denumirea de sono-electrocoagulare, are un efect pozitiv asupra eficienței de eliminare a consumului chimic de oxigen sau a turbidității. Procesele de tratare combinate cu electrocoagularea au demonstrat performanțe mult îmbunătățite în îndepărtarea poluanților din apele uzate industriale. Integrarea unei etape producătoare de radicali liberi, cum ar fi cavitația ultrasonică, cu electrocoagularea prezintă sinergie și îmbunătățiri ale procesului general de curățare. Scopul utilizării acestor sisteme hibride ultrasonic-electrolitice este de a crește eficiența generală a tratării și de a elimina dezavantajele proceselor de tratare convenționale. S-a demonstrat că reactoarele hibride de ultrasonicare-electrocoagulare inactivează Escherichia coli în apă.

Dispozitivul cu ultrasunete UIP2000hdT (2000 de wați, 20kHz) ca sono-catod și/sau sono-anod într-un rezervor

Generarea sono-electrolitică in situ a reactivilor sau a reactanților

Multe procese chimice, cum ar fi reacțiile heterogene sau cataliza, beneficiază de agitarea cu ultrasunete și de cavitația ultrasonică. Influența sonochimică poate crește viteza de reacție sau îmbunătăți randamentele de conversie.
Electrozii agitați cu ultrasunete adaugă un nou instrument puternic reacțiilor chimice. Acum puteți combina beneficiile sonochimiei cu electroliza. Produceți hidrogen, ioni hidroxid, hipoclorit și mulți alți ioni sau materiale neutre direct în câmpul de cavitație ultrasonică. Produsele electrolizei pot acționa ca reactivi sau ca reactanți în reacția chimică.

Combinarea ultrasunetelor cu câmpul electric pulsat

Combinarea câmpului electric pulsat (PEF) cu ultrasunetele (US) are efecte pozitive asupra extracției compușilor fizico-chimici, bioactivi și asupra structurii chimice a extractelor. În extracția din migdale, tratamentul combinat (PEF–US) a produs cele mai ridicate niveluri de fenoli totali, flavonoide totale, taninuri condensate, conținut de antociani și activitate antioxidantă. Acesta a redus puterea și activitatea de chelare a metalelor.
Ultrasunetele (US) și câmpul electric pulsat (PEF) pot fi utilizate pentru a spori eficiența procesului și ratele de producție în procesele de fermentare, prin îmbunătățirea transferului de masă și a permeabilității celulare.
Combinarea tratamentului cu câmp electric pulsat și ultrasunete are un impact asupra cineticii uscării cu aer și asupra calității legumelor uscate, cum ar fi morcovii. Timpul de uscare poate fi redus cu 20 până la 40%, menținând în același timp proprietățile de rehidratare.

Sono-electrochimie / electrochimie cu ultrasunete

Adăugați electroliza îmbunătățită cu ultrasunete pentru a produce reactanți sau pentru a consuma produsele reacțiilor chimice, în scopul de a deplasa echilibrul final al reacției chimice sau de a modifica calea de reacție chimică.

Configurația sugerată a electrozilor cu ultrasunete

Designul inovator pentru ultrasonicatoarele cu sondă transformă o sonotrodă standard cu ultrasunete într-un electrod care vibrează ultrasonic. Acest lucru face ca ultrasunetele pentru electrozi să fie mai accesibile, mai ușor de integrat și ușor de scalat la nivelurile de producție. Alte modele agitau doar electrolitul dintre doi electrozi neagitați. Efectul de umbrire și modelele de propagare a undelor ultrasonice produc rezultate inferioare în comparație cu agitarea directă a electrodului. Puteți adăuga vibrații ultrasonice anozilor sau, respectiv, catozilor. Desigur, puteți modifica oricând tensiunea și polaritatea electrozilor. Electrozii Hielscher Ultrasonics pot fi montați ușor ulterior în configurațiile existente.

Celulă sono-electrolitică etanșă și reactoare electrochimice

Este disponibilă o etanșare rezistentă la presiune între sonotroda cu ultrasunete (electrod) și un vas de reactor. Prin urmare, puteți opera celula electrolitică la o presiune diferită de cea ambiantă. Combinarea ultrasunetelor cu presiunea se numește mano-sonicare. Acest lucru poate fi de interes dacă electroliza produce gaze, atunci când se lucrează la temperaturi mai ridicate sau atunci când se lucrează cu componente lichide volatile. Un reactor electrochimic etanșat ermetic poate funcționa la presiuni peste sau sub presiunea ambiantă. Etanșarea dintre electrodul cu ultrasunete și reactor poate fi realizată conductoare electric sau izolatoare. Varianta din urmă permite utilizarea pereților reactorului ca al doilea electrod. Desigur, reactorul poate avea racorduri de intrare și de ieșire pentru a funcționa ca reactor cu celulă de flux pentru procese continue. Hielscher Ultrasonics oferă o varietate de reactoare standardizate și celule de flux cu manta. Alternativ, puteți alege dintr-o gamă de adaptoare pentru montarea sonotrodelor Hielscher pe reactorul dumneavoastră electrochimic.

Dispunere concentrică în reactorul tubular

Dacă electrodul agitat cu ultrasunete se află în apropierea unui al doilea electrod neagitat sau în apropierea unui perete al reactorului, undele ultrasonice se propagă prin lichid și vor acționa și asupra celorlalte suprafețe. Un electrod agitat cu ultrasunete, orientat concentric într-o conductă sau într-un reactor, poate menține pereții interiori liberi de încrustări sau de solide acumulate.

Temperatura

Atunci când utilizați sonotrode Hielscher standard ca electrozi, temperatura electrolitului poate fi cuprinsă între 0 și 80 de grade Celsius. Sonotrodele pentru alte temperaturi ale electrolitului, în intervalul de la -273 de grade Celsius la 500 de grade Celsius, sunt disponibile la cerere. Combinarea ultrasunetelor cu temperatura se numește termo-sonicare.

Vâscozitatea

Dacă vâscozitatea electrolitului inhibă transferul de masă, amestecarea prin agitare cu ultrasunete în timpul electrolizei ar putea fi benefică, deoarece îmbunătățește transferul materialului către și de la electrozi.

Sono-electroliza cu curent pulsatoriu

Curentul pulsatoriu aplicat electrozilor agitați cu ultrasunete conduce la produse diferite de cele obținute cu curent continuu (DC). De exemplu, curentul pulsatoriu poate crește raportul dintre ozonul și oxigenul produse la anod în electroliza unei soluții apoase acide, de ex. acid sulfuric diluat. Electroliza etanolului cu curent pulsat produce o aldehidă în loc de, în principal, un acid.

Echipamente pentru electro-sonicare

Hielscher Ultrasonics a dezvoltat o modernizare sonoelectrochimică specială pentru traductoarele industriale. Traductorul modernizat funcționează cu aproape toate tipurile de sonotrode Hielscher.

Electrozi cu ultrasunete (sonotrode)

Sonotrodele sunt izolate electric față de generatorul de ultrasunete. Prin urmare, puteți conecta sonotroda cu ultrasunete la o tensiune electrică, astfel încât sonotroda să poată acționa ca electrod. Distanța standard de izolare electrică dintre sonotrode și contactul de împământare este de 2,5 mm. Prin urmare, ați putea aplica până la 2500 de volți pe sonotrodă. Sonotrodele standard sunt masive și realizate din titan. Prin urmare, nu există aproape nicio restricție privind curentul electrodului. Titanul prezintă o bună rezistență la coroziune față de mulți electroliți alcalini sau acizi. Sunt posibile materiale alternative pentru sonotrode, cum ar fi aluminiul (Al), oțelul (Fe), oțelul inoxidabil, nichel-crom-molibdenul sau niobiul. Hielscher oferă sonotrode ca anozi de sacrificiu eficiente din punct de vedere al costurilor, de ex. din aluminiu sau oțel.

Generator de ultrasunete, sursă de alimentare

Generatorul de ultrasunete nu necesită nicio modificare și utilizează o priză electrică standard cu împământare. Cornetul traductorului și toate suprafețele exterioare ale traductorului și ale generatorului sunt, desigur, conectate la împământarea prizei. Sonotroda și un element de fixare sunt singurele piese conectate la tensiunea electrodului. Acest lucru facilitează proiectarea configurației. Puteți conecta sonotroda la curent continuu (DC), curent continuu pulsatoriu sau curent alternativ (AC). Electrozii cu ultrasunete pot funcționa ca anozi sau, respectiv, catozi.

Echipamente de producție pentru procese de electro-sonicare

Puteți utiliza orice dispozitiv cu ultrasunete Hielscher, cum ar fi UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT sau UIP4000hdT, pentru a cupla până la 4000 de wați de putere ultrasonică în orice sonotrodă standard sau Cascatrode. Intensitatea ultrasonică de suprafață pe suprafața sonotrodei poate fi cuprinsă între 1 vat și 100 de wați wați pe centimetru pătrat. Sunt disponibile diferite geometrii de sonotrode cu amplitudini de la 1 micrometru la 150 de micrometri (vârf-vârf). Frecvența ultrasonică de 20kHz este foarte eficientă în generarea cavitației și a curgerii acustice în electrolit. Dispozitivele cu ultrasunete Hielscher pot funcționa 24 de ore pe zi, șapte zile pe săptămână. Puteți opera continuu la putere maximă de ieșire sau în regim pulsat, de ex. pentru curățarea periodică a electrozilor. Hielscher Ultrasonics poate furniza electrozi cu ultrasunete cu până la 16 kilowați de putere ultrasonică (agitare mecanică) pentru un singur electrod. Nu există aproape nicio limită pentru puterea electrică pe care o puteți conecta la electrozi.

Încă un lucru: pulverizarea sono-electrostatică

Hielscher Ultrasonics produce echipamente pentru pulverizarea, nebulizarea, atomizarea sau aerosolizarea lichidelor. Sonotroda de pulverizare cu ultrasunete poate conferi ceții de lichid sau aerosolilor o sarcină pozitivă. Aceasta combină pulverizarea cu ultrasunete cu tehnologia de pulverizare electrostatică, de ex. pentru procese de acoperire.

Literatură / Referințe

• Hielscher, Th. (2026): Electrodes and Inline Reactors: How Sono-Electrochemistry Improves Efficiency. Poster Presentation at GDCh Electrochemistry 22.09.2026 – 25.09.2026, Bayreuth/Germany
• Bruno G. Pollet; Faranak Foroughi; Alaa Y. Faid; David R. Emberson; Md.H. Islam (2020): Does power ultrasound (26 kHz) affect the hydrogen evolution reaction (HER) on Pt polycrystalline electrode in a mild acidic electrolyte? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 69, December 2020.
• Md H. Islam; Odne S. Burheim; Bruno G.Pollet (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 51, March 2019. 533-555.
• Jayaraman Theerthagiri; Jagannathan Madhavan; Seung Jun Lee; Myong Yong Choi; Muthupandian Ashokkumar; Bruno G. Pollet (2020): Sonoelectrochemistry for energy and environmental applications. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 63, 2020.
• Bruno G. Pollet (2019): Does power ultrasound affect heterogeneous electron transfer kinetics? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 6-12.
• Md Hujjatul Islam; Michael T.Y. Paul; Odne S. Burheim; Bruno G. Pollet (2019): Recent developments in the sonoelectrochemical synthesis of nanomaterials. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 59, 2019.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
• M.D. Esclapez, V. Sáez, D. Milán-Yáñez, I. Tudela, O. Louisnard, J. González-García (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 6, 2010. 1010-1020.
• L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.