Sono-electrochimia și avantajele sale

Aici găsiți tot ce trebuie să știți despre electrochimia cu ultrasunete (sonoelectrochimie): principiul de funcționare, aplicații, avantaje și echipamente sono-electrochimice – toate informațiile relevante despre sonoelectrochimie pe o singură pagină.

De ce să aplicăm ultrasunetele în electrochimie?

Combinarea undelor ultrasonice de joasă frecvență și intensitate ridicată cu sistemele electrochimice aduce numeroase beneficii, care îmbunătățesc eficiența și rata de conversie a reacțiilor electrochimice.

Principiul de funcționare al ultrasunetelor

Pentru procesarea cu ultrasunete de înaltă performanță, ultrasunetele de joasă frecvență și intensitate ridicată sunt generate de un generator de ultrasunete și transmise într-un lichid prin intermediul unei sonde ultrasonice (sonotrodă). Ultrasunetele de mare putere sunt considerate ultrasunetele din domeniul 16–30kHz. Sonda ultrasonică se dilată și se contractă, de exemplu, la 20kHz, transmițând astfel 20.000 de vibrații pe secundă în mediu. Când undele ultrasonice traversează lichidul, ciclurile alternante de presiune înaltă (compresie) / presiune joasă (rarefiere sau expansiune) creează bule de vid sau cavități minuscule, 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 ating o dimensiune la care nu mai pot absorbi energie. În acest moment, ele implodează violent. Implozia acestor cavități are ca rezultat diverse efecte puternic energetice, cunoscute sub numele de fenomenul de cavitație acustică / ultrasonică. Cavitația acustică se caracterizează prin numeroase efecte puternic energetice, care acționează asupra lichidelor, a sistemelor solid/lichid, precum și a sistemelor gaz/lichid. Zona cu densitate energetică ridicată sau zona de cavitație este cunoscută drept așa-numita zonă hot-spot, care are cea mai mare densitate energetică în imediata vecinătate a sondei ultrasonice și scade odată cu creșterea distanței față de sonotrodă. Principalele caracteristici ale cavitației ultrasonice includ temperaturi și presiuni foarte ridicate care apar local și diferențele corespunzătoare, turbulențe și curgeri de lichid. În timpul imploziei cavităților ultrasonice în hot-spot-urile ultrasonice pot fi măsurate temperaturi de până la 5000 Kelvin, presiuni de până la 200 de atmosfere și jeturi de lichid cu viteze de până la 1000km/h. Aceste condiții remarcabile, intense din punct de vedere energetic, contribuie la efecte sonomecanice și sonochimice care intensifică sistemele electrochimice în diverse moduri.

Efectele ultrasunetelor asupra sistemelor electrochimice

Aplicarea ultrasonicării în reacțiile electrochimice este cunoscută pentru diverse efecte asupra electrozilor, adică anodul și catodul, precum și asupra soluției electrolitice. Cavitația ultrasonică și curgerea acustică generează în fluidul de reacție o micromișcare semnificativă, jeturi de lichid care se ciocnesc și agitare. Aceasta are ca rezultat o hidrodinamică îmbunătățită și o mișcare mai bună a amestecului lichid/solid. Cavitația ultrasonică reduce grosimea efectivă a stratului de difuzie de la un electrod. Un strat de difuzie redus înseamnă că sonicarea minimizează diferența de concentrație, adică ultrasunetele favorizează convergența dintre concentrația din vecinătatea unui electrod și valoarea concentrației din volumul soluției. Influența agitării ultrasonice asupra gradienților de concentrație în timpul reacției asigură alimentarea permanentă a electrodului cu soluție proaspătă și evacuarea materialului reacționat. Aceasta înseamnă că sonicarea a îmbunătățit cinetica generală, accelerând viteza de reacție și crescând randamentul reacției.
Prin introducerea energiei ultrasonice în sistem, precum și prin formarea sonochimică a radicalilor liberi, poate fi inițiată o reacție electrochimică care altfel ar fi fost electroinactivă. Un alt efect important al vibrației și curgerii acustice este efectul de curățare asupra suprafețelor electrozilor. Straturile de pasivare și depunerile (fouling) de pe electrozi limitează eficiența și viteza reacțiilor electrochimice. Ultrasonicarea menține electrozii permanent curați și complet activi pentru reacție. Ultrasonicarea este bine cunoscută pentru efectele sale de degazare, care sunt benefice și în reacțiile electrochimice. Prin eliminarea gazelor nedorite din lichid, reacția se poate desfășura mai eficient.

Aplicații ale sonoelectrochimiei

Sonoelectrochimia poate fi aplicată în diverse procese și în diferite industrii. Printre aplicațiile foarte frecvente ale sonoelectrochimiei se numără următoarele:

• Sinteza de nanoparticule (electrosinteză)
• Sinteza hidrogenului
• Electrocoagulare
• Tratarea apelor uzate
• Spargerea emulsiilor
• Galvanizare / Electrodepunere
• Încălzire ohmică

Sinteza sono-electrochimică a nanoparticulelor

Ultrasonicarea a fost aplicată cu succes pentru sintetizarea diverselor nanoparticule într-un sistem electrochimic. Magnetita, nanotuburile de cadmiu-seleniu (CdSe), nanoparticulele (NP) de platină, NP de aur, magneziul metalic, bismutenul, nano-argintul, cuprul ultrafin, nanoparticulele din aliaj wolfram–cobalt (W–Co), nanocompozitul samaria/oxid de grafenă redus, nanoparticulele de cupru sub 1nm acoperite cu poli(acid acrilic) și multe alte pulberi nanometrice au fost produse cu succes folosind sonoelectrochimia.
Avantajele sintezei sonoelectrochimice a nanoparticulelor includ

• evitarea agenților reducători și a surfactanților
• utilizarea apei ca solvent
• ajustarea dimensiunii nanoparticulelor prin varierea parametrilor (puterea ultrasonică, densitatea de curent, potențialul de depunere și duratele impulsurilor ultrasonice față de cele electrochimice)

Ashasssi-Sorkhabi și Bagheri (2014) au sintetizat sonoelectrochimic filme de polipirol și au comparat rezultatele cu filme de polipirol sintetizate electrochimic. Rezultatele arată că sonoelectrodepunerea galvanostatică a produs pe oțel un film de polipirol (PPy) puternic aderent și neted, la o densitate de curent de 4 mA cm–2, într-o soluție de 0,1 M acid oxalic/0,1 M pirol. Folosind polimerizarea sonoelectrochimică, aceștia au obținut filme PPy tenace, de înaltă rezistență, cu suprafață netedă. S-a demonstrat că acoperirile PPy preparate prin 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 intensificat transferul de masă al reactanților și au determinat viteze ridicate ale reacțiilor chimice prin cavitație acustică și prin temperaturile și presiunile ridicate rezultate. Validitatea datelor de impedanță pentru interfața oțel St-12/două acoperiri PPy/medii corozive a fost verificată folosind transformatele KK și au fost observate erori medii scăzute.

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

Producția sono-electrochimică de hidrogen

Electroliza favorizată de ultrasunete crește semnificativ randamentul de hidrogen obținut din apă sau din soluții alcaline. Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre sinteza electrolitică a hidrogenului accelerată cu ultrasunete!

Electrocoagulare asistată de ultrasunete

Aplicarea ultrasunetelor de joasă frecvență în sistemele de electrocoagulare este cunoscută sub numele de sono-electrocoagulare. Studiile arată că sonicarea influențează pozitiv electrocoagularea, ducând, de exemplu, la o 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 și intensitate ridicată distrug straturile solide depuse și le îndepărtează eficient, menținând astfel electrozii permanent complet activi. În plus, ultrasunetele activează ambele tipuri de ioni, adică cationii și anionii, prezenți în zona de reacție a electrozilor. Agitarea ultrasonică are ca rezultat o micromișcare intensă a soluției, care aduce materia primă la electrozi și îndepărtează produsul de la aceștia.
Exemple de procese de sono-electrocoagulare reușite 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 de 99,5% în 10 min., îndepărtarea culorii și a CCO din efluenții industriei celulozei și hârtiei etc. Eficiențele de îndepărtare raportate pentru culoare, CCO, Cr(VI), Cu(II) și P au fost de 100%, 95%, 100%, 97,3%, respectiv 99,84%. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradarea sono-electrochimică a poluanților

Reacțiile de oxidare și/sau reducere electrochimică favorizate de ultrasunete sunt aplicate ca metodă puternică de degradare a poluanților chimici. Mecanismele sonomecanice și sonochimice favorizează degradarea electrochimică a poluanților. Cavitația generată ultrasonic are ca rezultat agitare intensă, micro-amestecare, transfer de masă și îndepărtarea straturilor de pasivare de pe electrozi. Aceste efecte cavitaționale duc în principal la intensificarea transferului de masă solid-lichid dintre electrozi și soluție. Efectele sonochimice acționează direct asupra moleculelor. Scindarea homolitică a 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 ansamblu, degradarea sono-electrochimică prezintă o eficiență ridicată și este potrivită pentru tratarea unor volume mari de fluxuri de ape uzate și a altor lichide poluate.
De exemplu, Lllanos et al. (2016) au constatat că s-a obținut un efect sinergic semnificativ pentru dezinfecția apei atunci când sistemul electrochimic a fost intensificat prin sonicare (dezinfecție sono-electrochimică). S-a constatat că această creștere a vitezei de dezinfecție este legată de suprimarea aglomeratelor de celule E. coli, precum și de o producție sporită de specii dezinfectante. Esclapez et al. (2010) au arătat că, atunci când un reactor sonoelectrochimic special proiectat (însă neoptimizat) a fost utilizat în timpul extinderii la scară a degradării acidului tricloracetic (TCAA), prezența câmpului ultrasonic generat cu UIP1000hd a oferit rezultate mai bune (conversie fracționară 97%, eficiență de degradare 26%, selectivitate 0,92 și eficiență de curent 8%) la intensități ultrasonice și debit volumetric mai mici. Având în vedere faptul că reactorul sonoelectrochimic pre-pilot nu era încă optimizat, este foarte probabil ca aceste rezultate să poată fi îmbunătățite și mai mult.

Voltametrie și electrodepunere cu ultrasunete

Electrodepunerea a fost realizată galvanostatic la o densitate de curent de 15 mA/cm2. Soluțiile au fost supuse ultrasonicării înainte de electrodepunere timp de 5–60 de minute. A fost utilizat un ultrasonicator cu sondă Hielscher UP200S cu un timp de ciclu de 0,5. Ultrasonicarea a fost realizată prin scufundarea directă a sondei ultrasonice în soluție. Pentru a evalua impactul ultrasunetelor asupra soluției înainte de electrodepunere, s-a utilizat voltametria ciclică (CV), care dezvăluie comportamentul soluției și face posibilă prezicerea condițiilor ideale de electrodepunere. Se observă că, atunci când soluția este supusă ultrasonicării înainte de electrodepunere, depunerea începe la valori ale potențialului 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 soluțiile neultrasonicate. (cf. Yurdal & Karahan 2017)
Citiți mai multe despre depunerea sonoelectrochimică a acoperirilor nano-îmbunătățite!

Sonde electrochimice și SonoElectroReactoare de înaltă performanță

Hielscher Ultrasonics este partenerul dumneavoastră cu experiență îndelungată pentru sisteme ultrasonice de înaltă performanță. Fabricăm și distribuim sonde și reactoare ultrasonice de ultimă generație, care sunt utilizate în întreaga lume pentru aplicații de mare solicitare în medii dificile. Pentru sonoelectrochimie, Hielscher a dezvoltat sonde ultrasonice speciale, care pot acționa ca și catod și/sau anod, precum și celule de reactor ultrasonice potrivite pentru reacții electrochimice. Electrozii și celulele ultrasonice sunt disponibile pentru sisteme galvanice / voltaice, precum și pentru sisteme electrolitice.

Amplitudini controlabile cu precizie pentru rezultate optime

Toate procesoarele ultrasonice Hielscher sunt controlabile cu precizie și, prin urmare, adevărați cai de povară fiabili în cercetare-dezvoltare și producție. Amplitudinea este unul dintre parametrii de proces esențiali care influențează eficiența și eficacitatea reacțiilor induse sonochimic și sonomecanic. Toate procesoarele Hielscher Ultrasonics permit setarea precisă a amplitudinii. Procesoarele ultrasonice industriale Hielscher pot furniza amplitudini foarte mari și furnizează intensitatea ultrasonică necesară pentru aplicații sono-electrochimice solicitante. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în mod continuu, în regim 24/7.
Setările precise ale amplitudinii și monitorizarea permanentă a parametrilor procesului ultrasonic prin intermediul unui software inteligent vă oferă posibilitatea de a influența cu precizie reacția sonoelectrochimică. În timpul fiecărei rulări de sonicare, toți parametrii ultrasonici sunt înregistrați automat pe un card SD încorporat, 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 le fac calul de povară al procesului dumneavoastră electrochimic. Acest lucru face din echipamentele ultrasonice Hielscher un instrument de lucru fiabil, care îndeplinește cerințele procesului dumneavoastră sonoelectrochimic.

Cea mai înaltă calitate – proiectat și fabricat în Germania

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

Contactați-ne acum și spuneți-ne care sunt cerințele procesului dumneavoastră electrochimic! Vă vom recomanda cei mai potriviți electrozi ultrasonici și cea mai potrivită configurație de reactor!