Sono-electrochimia și avantajele sale

Aici veți găsi tot ce trebuie să știți despre electrochimia cu ultrasunete (sonoelectrochimie): principiu de lucru, aplicații, avantaje și echipamente sono-electrochimice – Toate informațiile relevante despre sonoelectrochimie pe o singură pagină.

De ce aplicarea ultrasunetelor la electrochimie?

Combinația de unde cu ultrasunete de joasă frecvență, de înaltă intensitate cu sisteme electrochimice vine cu beneficii multiple, care îmbunătățesc eficiența și rata de conversie a reacțiilor electrochimice.

Principiul de lucru al ultrasonics

Pentru prelucrarea cu ultrasunete de înaltă performanță, ultrasunetele de înaltă intensitate, de joasă frecvență sunt generate de un generator de ultrasunete și transmise printr-o sondă cu ultrasunete (sonotrode) într-un lichid. Ultrasunetele de mare putere sunt considerate ultrasunete în intervalul 16-30kHz. Sonda cu ultrasunete se extinde și se contractă, de exemplu, la 20kHz, transmițând astfel 20.000 de vibrații pe secundă în mediu. Când undele ultrasonice călătoresc prin lichid, alternând cicluri de înaltă presiune (compresie)? joasă presiune (rarefiere sau expansiune) creează bule de vid minute sau cavități, care cresc pe parcursul mai multor cicluri de presiune. În timpul fazei de compresie a lichidului și a bulelor, presiunea este pozitivă, în timp ce faza de rarefiere produce un vid (presiune negativă). În timpul ciclurilor de compresie-expansiune, cavitățile din lichid cresc până când ajung la o dimensiune la care nu pot absorbi mai multă energie. În acest moment, fac implozie violentă. Implozia acestor cavități are ca rezultat diferite efecte extrem de energetice, care sunt cunoscute sub numele de fenomen de cavitație acustică? ultrasonică. Cavitația acustică se caracterizează prin efecte multiple de înaltă energie, care afectează lichidele, sistemele solide? lichide, precum și sistemele de gaz? lichid. Zona densă energetic sau zona cavitațională este cunoscută sub numele de așa-numita zonă fierbinte, care este cea mai densă din punct de vedere energetic în imediata vecinătate a sondei cu ultrasunete și scade odată cu creșterea distanței de sonotrode. Principalele caracteristici ale cavitației cu ultrasunete includ temperaturile și presiunile foarte ridicate care apar local și diferențialele respective, turbulențe și streaming lichid. În timpul imploziei cavităților cu ultrasunete în punctele fierbinți cu ultrasunete, pot fi măsurate temperaturi de până la 5000 Kelvin, presiuni de până la 200 atmosfere și jeturi lichide cu până la 1000 km? h. Aceste condiții remarcabile de intensitate energetică contribuie la efectele sonomecanice și sonochimice care intensifică sistemele electrochimice în diferite moduri.

Efectele ultrasunetelor asupra sistemelor electrochimice

Aplicarea ultrasonication la reacții electrochimice este cunoscut pentru diferite efecte asupra electrozilor, adică anod și catod, precum și soluția electrolitică. Cavitația cu ultrasunete și streamingul acustic generează micro-mișcare semnificativă, afectând jeturile lichide și agitația în fluidul de reacție. Acest lucru are ca rezultat îmbunătățirea hidrodinamicii și a mișcării amestecului lichid/solid. Cavitația cu ultrasunete reduce grosimea efectivă a stratului de difuzie la un electrod. Un strat de difuzie redus înseamnă că sonicare minimizează diferența de concentrație, ceea ce înseamnă convergența concentrației în vecinătatea unui electrod și valoarea concentrației în soluția în vrac sunt promovate ultrasonically. Influența agitației cu ultrasunete asupra gradienților de concentrație în timpul reacției asigură alimentarea permanentă a soluției proaspete la electrod și transportul materialului reacționat. Acest lucru înseamnă sonicare îmbunătățit cinetica generală, accelerând rata de reacție și creșterea randamentului de reacție.
Prin introducerea energiei ultrasonice în sistem, precum și formarea sonochimică a radicalilor liberi, poate fi inițiată reacția electrochimică, care altfel ar fi fost electroinactivă. 
Un alt efect important al vibrațiilor acustice și al streamingului este efectul de curățare asupra suprafețelor electrozilor. Straturile pasivante și murdărirea la electrozi limitează eficiența și rata de reacție a reacțiilor electrochimice. Ultrasonication menține electrozii permanent curați și pe deplin activi pentru reacție. Ultrasonication este binecunoscut pentru efectele sale de degazare, care sunt benefice și în reacțiile electrochimice. Eliminând gazele nedorite din lichid, reacția poate fi mai eficientă.

Aplicații ale sonoelectrochimiei

Sonoelectrochimia poate fi aplicată diferitelor procese și în diferite industrii. Aplicațiile foarte frecvente ale sonoelectrochimiei includ următoarele:

• Sinteza nanoparticulelor (electrosinteză)
• sinteza hidrogenului
• electrocoagulare
• Tratarea apelor uzate
• Emulsii de rupere
• Galvanizare? Depunere prin electrodozare

Sinteza sono-electrochimică a nanoparticulelor

Ultrasonication a fost aplicat cu succes pentru a sintetiza diferite nanoparticule într-un sistem electrochimic. Magnetitul, nanotuburile de cadmiu-seleniu (CdSe), nanoparticulele de platină (NPs), NP-urile de aur, magneziul metalic, bismutul, nano-argintul, cuprul ultra-fin, nanoparticulele de aliaj de wolfram-cobalt (W-Co), nanocompozitul de oxid de grafen? oxid de grafen redus, nanoparticulele de cupru acoperite cu poli(acid acrilic) sub-1nm și multe alte pulberi de dimensiuni nano au fost produse în mod suculent folosind sonoelectrochimia.
Avantajele sintezei nanoparticulelor sonoelectrochimice includ

• evitarea agenților reducători și a agenților tensioactivi
• Utilizarea apei ca solvent
• ajustarea dimensiunii nanoparticulelor prin diferiți parametri (puterea cu ultrasunete, densitatea curentului, potențialul de depunere și timpii de impuls ultrasonic vs electrochimic)

Ashasssi-Sorkhabi și Bagheri (2014) au sintetizat filmele polipirrol sonoelectrochimic și au comparat rezultatele cu filmele polipirrol sintetizate electrocheic. Rezultatele arată că sonoelectrodepunerea galvanostatică a produs o peliculă de polipirol (PPy) puternic aderentă și netedă pe oțel, cu o densitate de curent de 4 mA cm–2 în soluție de acid oxalic 0,1 M/pirol 0,1 M. Folosind polimerizarea sonoelectrochimică, au obținut filme PPy de înaltă rezistență și dure, cu suprafață netedă. S-a demonstrat că acoperirile PPy preparate de sonoelectrochimie oferă o protecție substanțială împotriva coroziunii oțelului St-12. Acoperirea sintetizată a fost uniformă și a prezentat o rezistență ridicată la coroziune. Toate aceste rezultate pot fi atribuite faptului că ultrasunetele au îmbunătățit transferul de masă al reactanților și au provocat rate ridicate de reacție chimică prin cavitație acustică și temperaturile și presiunile ridicate rezultate. Validitatea datelor de impedanță pentru oțelul St-12? două acoperiri PPy? interfața media corozivă a fost verificată folosind transformările KK și au fost observate erori medii scăzute.

Hass și Gedanken (2008) au raportat sinteza sono-electrochimică reușită a nanoparticulelor metalice de magneziu. Eficiențele în procesul sonoelectrochimic al reactivului Gringard în tetrahidrofuran (THF) sau într-o soluție de dibutildiglimă au fost de 41,35% și, respectiv, 33,08%. Adăugarea AlCl3 la soluția Gringard a crescut dramatic eficiența, ridicând-o la 82,70% și 51,69% în THF sau, respectiv, dibutildiglim.

Producția de hidrogen sono-electrochimic

Ultrasonically promovat electroliza crește semnificativ randamentul hidrogenului din apă sau soluții alcaline. Click aici pentru a citi mai multe despre ultrasonically accelerat sinteza hidrogenului electrolitic!

Ultrasonically asistată electrocoagulare

Aplicarea ultrasunetelor de joasă frecvență la sistemele de electrocoagulare este cunoscută sub numele de sono-electrocoagulare. Studiile arată că sonicare influențează electrocoagularea pozitiv rezultând de exemplu, în eficiență mai mare de îndepărtare a hidroxizilor de fier din apele uzate. Impactul pozitiv al ultrasunetelor asupra electrocoagulării se explică prin reducerea pasivării electrozilor. Ultrasunetele de joasă frecvență, de înaltă intensitate, distrug stratul solid depus și le îndepărtează eficient, menținând astfel electrozii continuu pe deplin activi. În plus, ultrasunetele activează ambele tipuri de ioni, adică cationi și anioni, prezenți în zona de reacție a electrozilor. Agitarea cu ultrasunete are ca rezultat o micro-mișcare ridicată a soluției care alimentează și transportă materia primă și produsul la și de la electrozi.
Exemple pentru procesele sono-electrocoagulante de succes sunt reducerea Cr(VI) la Cr(III) în apele uzate farmaceutice, îndepărtarea fosforului total din efluenții industriei chimice fine cu o eficiență de îndepărtare a fosforului a fost de 99,5% în decurs de 10 min., îndepărtarea culorii și CCO din efluenții industriei celulozei și hârtiei etc. Eficiențele de îndepărtare raportate pentru culori, CCO, Cr(VI), Cu(II) și P au fost de 100%, 95%, 100%, 97,3% și, respectiv, 99,84%. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradarea sono-electrochimică a poluanților

Ultrasonically promovat electrochimice oxidare și? sau reacții de reducere sunt aplicate ca metodă puternică pentru a degrada poluant chimic. Mecanismele sonomecanice și sonochimice promovează degradarea electrochimică a poluanților. Cavitația generată ultrasonically are ca rezultat agitație intensă, micro-amestecare, transfer de masă și îndepărtarea straturilor pasivante din electrozi. Aceste efecte cavitaționale au ca rezultat în principal o îmbunătățire a transferului de masă solid-lichid între electrozi și soluție. Efectele sonochimice au un impact direct asupra moleculelor. Clivajul homolitic al moleculelor creează oxidanți foarte reactivi. În medii apoase și în prezența oxigenului, se produc radicali precum HO•, HO2• și O•. •Radicalii OH sunt cunoscuți ca fiind importanți pentru descompunerea eficientă a materialelor organice. În general, degradarea sono-electrochimică prezintă o eficiență ridicată și este adecvată pentru tratarea unor volume mari de fluxuri de ape uzate și a altor lichide poluate.
De exemplu, Lllanos et al. (2016) a constatat că s-au obținut un efect sinergic semnificativ pentru dezinfecția apei atunci când sistemul electrochimic a fost intensificat prin sonicare (dezinfecție sono-electrochimică). Această creștere a ratei de dezinfecție s-a dovedit a fi legată de suprimarea aggolomeratelor celulelor E. coli, precum și de o producție sporită de specii dezinfectante. 
Esclapez et al. (2010) au arătat că un reactor sonoelectrochimic special proiectat (cu toate acestea, nu optimizat) a fost utilizat în timpul scale-up de trichloroacetic acid (TCAA) degradare, prezența câmpului cu ultrasunete generate cu UIP1000hd a oferit rezultate mai bune (conversie fracționată 97%, eficiența degradării 26%, selectivitate 0.92 și eficiența curentă 8%) la intensități ultrasonice mai mici și flux volumetric. Având în vedere faptul că reactorul sonoelectrochimic prepilot nu a fost încă optimizat, este foarte probabil ca aceste rezultate să poată fi îmbunătățite și mai mult.

Voltametrie cu ultrasunete și electrodepunere

Electrodepunerea a fost efectuată galvanostatic la densitatea curentului de 15 mA/cm2. Soluțiile au fost supuse ultrasonication înainte de electrodepunere timp de 5-60 de minute. Un Hielscher UP200S ultrasonicator de tip sondă a fost utilizat la un timp al ciclului de 0,5. Ultrasonication a fost realizat prin scufundarea directă a sondei cu ultrasunete în soluție. Pentru a evalua impactul cu ultrasunete asupra soluției înainte de electrodepunere, voltametria ciclică (CV) a fost utilizată pentru a dezvălui comportamentul soluției și face posibilă prezicerea condițiilor ideale pentru electrodepunere. Se observă că atunci când soluția este supusă ultrasonication înainte de electrodepunere, depunerea începe la valori potențiale mai puțin negative. Aceasta înseamnă că, la același curent în soluție, este necesar un potențial mai mic, deoarece speciile din soluție se comportă mai activ decât în cele non-ultrasonicated. (cf. Yurdal & Karahan 2017)

Sonde electrochimice de înaltă performanță și reactoare SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics este partenerul tău cu experiență de mult timp pentru sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță. Producem și distribuim sonde și reactoare cu ultrasunete de ultimă generație, care sunt utilizate în întreaga lume pentru aplicații grele în medii solicitante. Pentru sonoelectrochimie, Hielscher a dezvoltat sonde speciale cu ultrasunete, care pot acționa ca catod și? sau anod, precum și celule reactor cu ultrasunete potrivite pentru reacții electrochimice. Electrozi cu ultrasunete și celule sunt disponibile pentru galvanic? voltaic, precum și sisteme electrolitice.

Amplitudini controlabile cu precizie pentru rezultate optime

Toate procesoarele cu ultrasunete Hielscher sunt controlabile cu precizie și, prin urmare, cai de lucru fiabile în R&D și producția. Amplitudinea este unul dintre parametrii cruciali ai procesului care influențează eficiența și eficacitatea reacțiilor induse sonochimic și sonomecanic. Toate Hielscher Ultrasonics’ Procesoarele permit setarea precisă a amplitudinii. Procesoarele industriale cu ultrasunete de la Hielscher pot furniza amplitudini foarte mari și pot furniza intensitatea ultrasonică necesară pentru aplicații sono-electrochamice solicitante. Amplitudinile de până la 200 μm pot fi rulate cu ușurință continuu în funcționare 24/7.
Setările precise de amplitudine și monitorizarea permanentă a parametrilor procesului cu ultrasunete prin intermediul software-ului inteligent vă oferă posibilitatea de a influența cu precizie reacția sonoelectrochimică. În timpul fiecare rulare sonicare, toți parametrii cu ultrasunete sunt înregistrate automat pe un built-in SD-card, astfel încât fiecare rulare poate fi evaluată și controlată. Sonicare optimă pentru cele mai eficiente reacții sonoelectrochimice!
Toate echipamentele sunt construite pentru utilizare 24/7/365 la sarcină maximă, iar robustețea și fiabilitatea lor îl fac calul de bătaie în procesul dumneavoastră electrochimic. Acest lucru face ca echipamentul cu ultrasunete Hielscher să fie un instrument de lucru fiabil care îndeplinește cerințele procesului sonoelectrochimic.

Cea mai înaltă calitate – Proiectat și fabricat în Germania

Fiind o afacere de familie, Hielscher acordă prioritate celor mai înalte standarde de calitate pentru procesoarele sale cu ultrasunete. Toate ultrasunetele sunt proiectate, fabricate și testate temeinic la sediul nostru central din Teltow, lângă Berlin, Germania. Robustețea și fiabilitatea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher îl fac un cal de bătaie în producția dumneavoastră. Funcționarea 24/7 la sarcină maximă și în medii solicitante este o caracteristică naturală a sondelor și reactoarelor cu ultrasunete de înaltă performanță Hielscher.

Contactați-ne acum și spuneți-ne despre cerințele dvs. de proces electrochimic! Vă vom recomanda cei mai potriviți electrozi cu ultrasunete și configurarea reactorului!