Электроультразвуковая обработка – ультразвуковые электроды

Электроультразвуковая обработка представляет собой сочетание воздействия электричества и обработки ультразвуком. Hielscher Ultrasonics разработала новый и элегантный способ использования любого сонотрода в качестве электрода. Это позволяет направить мощность ультразвука непосредственно на границу раздела между ультразвуковым электродом и жидкостью. Здесь ультразвук может способствовать электролизу, улучшать массоперенос и разрушать пограничные слои или отложения. Hielscher поставляет оборудование промышленного класса для электроультразвуковой обработки в периодических и поточных процессах любого масштаба. Электроультразвуковую обработку можно сочетать с маноультразвуковой обработкой (давление) и термоультразвуковой обработкой (температура).

Применение ультразвуковых электродов

Воздействие ультразвука на электроды – это новая технология, которая даёт преимущества во многих различных процессах электролиза, нанесения гальванических покрытий, электроочистки, получения водорода и электрокоагуляции, синтеза частиц и других электрохимических реакциях. Hielscher Ultrasonics предлагает готовые к применению ультразвуковые электроды для исследований и разработок в области электролиза в лабораторном или пилотном масштабе. После испытания и оптимизации электролитического процесса можно использовать промышленное ультразвуковое оборудование Hielscher Ultrasonics для масштабирования полученных результатов до уровня промышленного производства. Ниже приведены предложения и рекомендации по использованию ультразвуковых электродов.

Соноэлектролиз (ультразвуковой электролиз)

Электролиз – это взаимное превращение атомов и ионов посредством удаления или присоединения электронов под действием электрического тока. Продукты электролиза могут иметь агрегатное состояние, отличное от состояния электролита. При электролизе могут образовываться твёрдые вещества, например осадки или твёрдые слои на любом из электродов. Кроме того, при электролизе могут образовываться газы, такие как водород, хлор или кислород. Ультразвуковые колебания электрода могут отделять твёрдые отложения от его поверхности. Ультразвуковая дегазация быстро формирует более крупные газовые пузырьки из растворённых газов микропузырьков. Это приводит к более быстрому отделению газообразных продуктов от электролита.

Ультразвуковой UIP2000hdT (2000 ватт, 20kHz) в качестве катода и/или анода в электролитической ячейке

Усиление массопереноса на поверхности электрода с помощью ультразвука

В процессе электролиза продукты накапливаются вблизи электродов или на их поверхности. Ультразвуковое перемешивание – очень эффективный способ усиления массопереноса в пограничных слоях. Благодаря этому эффекту свежий электролит вступает в контакт с поверхностью электрода. Кавитационные потоки отводят продукты электролиза, такие как газы или твёрдые вещества, от поверхности электрода. Таким образом предотвращается образование изолирующих слоёв, препятствующих процессу.

Влияние ультразвука на потенциал разложения

Ультразвуковые колебания анода, катода или обоих электродов могут влиять на потенциал разложения или напряжение разложения. Известно, что сама по себе кавитация разрушает молекулы и образует свободные радикалы или озон. Сочетание кавитации с электролизом при ультразвуковом усилении электролиза может влиять на минимальное напряжение между анодом и катодом электролитической ячейки, необходимое для протекания электролиза. Механические и сонохимические эффекты кавитации также могут повышать энергоэффективность электролиза.

Ультразвук при электрорафинировании и электроэкстракции

В процессе электрорафинирования твёрдые отложения металлов, например меди, могут быть превращены в суспензию твёрдых частиц в электролите. При электролитическом извлечении, также называемом электроэкстракцией, электроосаждение металлов из их руд может быть превращено в твёрдый осадок. К металлам, обычно получаемым электролитическим извлечением, относятся свинец, медь, золото, серебро, цинк, алюминий, хром, кобальт, марганец, а также редкоземельные и щелочные металлы.
Обработка ультразвуком также является эффективным способом выщелачивания руд.

Соноэлектролитическая очистка жидкостей

Очищайте жидкость, например водный раствор, такой как сточные воды, шлам или подобные среды, пропуская раствор через электрическое поле двух электродов! Электролиз позволяет обеззараживать или очищать водные растворы. При подаче раствора NaCI вместе с водой через электроды или поперёк электродов образуется Cl2 или CIO2, которые могут окислять примеси и обеззараживать воду или водные растворы. Если вода содержит достаточное количество природных хлоридов, добавление не требуется.
Ультразвуковые колебания электрода позволяют сделать пограничный слой между электродом и водой максимально тонким. Это может улучшить массоперенос на много порядков. Ультразвуковые колебания и кавитация значительно уменьшают образование микроскопических пузырьков вследствие поляризации. Применение ультразвуковых электродов при электролизе существенно улучшает процесс электролитической очистки.

Соноэлектрокоагуляция (ультразвуковая электрокоагуляция)

Электрокоагуляция – это метод очистки сточных вод для удаления загрязняющих веществ, таких как эмульгированное масло, суммарные нефтяные углеводороды, трудноразлагаемые органические вещества, взвешенные твёрдые частицы и тяжёлые металлы. Для очистки воды также можно удалять радиоактивные ионы. Добавление обработки ультразвуком к электрокоагуляции, также известное как соноэлектрокоагуляция, положительно влияет на химическое потребление кислорода или эффективность снижения мутности. Комбинированные процессы очистки с использованием электрокоагуляции показали значительно более высокую эффективность удаления загрязняющих веществ из промышленных сточных вод. Интеграция стадии образования свободных радикалов, например ультразвуковой кавитации, с электрокоагуляцией даёт синергетический эффект и улучшает процесс очистки в целом. Цель применения этих гибридных ультразвуково-электролитических систем – повысить общую эффективность очистки и устранить недостатки традиционных процессов очистки. Было показано, что гибридные ультразвуковые электрокоагуляционные реакторы инактивируют Escherichia coli в воде.

Ультразвуковой UIP2000hdT (2000 ватт, 20kHz) в качестве сонокатода и/или соноанода в резервуаре

Соноэлектролитическое получение реагентов или исходных веществ реакции непосредственно на месте

Многие химические процессы, такие как гетерогенные реакции или катализ, выигрывают от ультразвукового перемешивания и ультразвуковой кавитации. Сонохимическое воздействие может увеличивать скорость реакции или повышать выход превращения.
Электроды с ультразвуковыми колебаниями предоставляют новый мощный инструмент для проведения химических реакций. Теперь можно сочетать преимущества сонохимии с электролизом. Получайте водород, гидроксид-ионы, гипохлорит и многие другие ионы или нейтральные вещества непосредственно в поле ультразвуковой кавитации. Продукты электролиза могут выступать в качестве реагентов или исходных веществ химической реакции.

Сочетание ультразвука с импульсным электрическим полем

Сочетание импульсного электрического поля (PEF) и ультразвука (US) положительно влияет на извлечение физико-химических, биологически активных соединений и химическую структуру экстрактов. При экстракции из миндаля комбинированная обработка (PEF–US) обеспечила самые высокие показатели общего содержания фенольных соединений, общего содержания флавоноидов, конденсированных танинов, содержания антоцианов и антиоксидантной активности. Она снизила мощность и активность хелатирования металлов.
Ультразвук (US) и импульсное электрическое поле (PEF) можно применять для повышения эффективности процессов и производительности при ферментации за счёт улучшения массопереноса и проницаемости клеток.
Сочетание импульсного электрического поля и обработки ультразвуком влияет на кинетику воздушной сушки и качество высушенных овощей, например моркови. Время сушки можно сократить на 20–40%, сохранив свойства регидратации.

Соноэлектрохимия / ультразвуковая электрохимия

Добавьте электролиз с ультразвуковым усилением для получения исходных веществ реакции или расходования продуктов химических реакций, чтобы сместить конечное равновесие химической реакции или изменить путь её протекания.

Рекомендуемая конфигурация ультразвуковых электродов

Инновационная конструкция зондовых ультразвуковых устройств превращает стандартный ультразвуковой сонотрод в электрод, совершающий ультразвуковые колебания. Это делает применение ультразвука для электродов более доступным, упрощает интеграцию и позволяет легко масштабировать процесс до промышленного производства. В других конструкциях ультразвуковому перемешиванию подвергался только электролит между двумя электродами, не совершающими колебаний. Экранирование и особенности распространения ультразвуковых волн дают худшие результаты по сравнению с непосредственными колебаниями электрода. Ультразвуковые колебания можно подавать на аноды или катоды соответственно. Разумеется, напряжение и полярность электродов можно изменять в любое время. Электроды Hielscher Ultrasonics легко устанавливаются в существующие системы при их модернизации.

Герметичная соноэлектролитическая ячейка и электрохимические реакторы

Предлагается герметичное уплотнение, выдерживающее давление, между ультразвуковым сонотродом (электродом) и корпусом реактора. Поэтому электролитическую ячейку можно эксплуатировать при давлении, отличном от давления окружающей среды. Сочетание ультразвука с давлением называется маноультразвуковой обработкой. Это может представлять интерес, если при электролизе образуются газы, при работе при повышенных температурах или с летучими компонентами жидкости. Плотно герметизированный электрохимический реактор может работать при давлении выше или ниже давления окружающей среды. Уплотнение между ультразвуковым электродом и реактором может быть электропроводящим или изолирующим. Последнее позволяет использовать стенки реактора в качестве второго электрода. Разумеется, реактор может иметь входные и выходные патрубки, чтобы работать как реактор с проточной ячейкой для непрерывных процессов. Hielscher Ultrasonics предлагает различные стандартизированные реакторы и проточные ячейки с рубашкой. Кроме того, можно выбрать один из ряда адаптеров для установки сонотродов Hielscher в ваш электрохимический реактор.

Концентрическое расположение в трубчатом реакторе

Если электрод, совершающий ультразвуковые колебания, находится вблизи второго электрода, не совершающего колебаний, или вблизи стенки реактора, ультразвуковые волны распространяются через жидкость и воздействуют также на другие поверхности. Электрод с ультразвуковыми колебаниями, расположенный концентрически в трубе или реакторе, может предотвращать загрязнение внутренних стенок или накопление на них твёрдых веществ.

Температура

При использовании стандартных сонотродов Hielscher в качестве электродов температура электролита может составлять от 0 до 80 градусов Цельсия. Сонотроды для других температур электролита в диапазоне от -273 градусов Цельсия до 500 градусов Цельсия доступны по запросу. Сочетание ультразвука с температурным воздействием называется термоультразвуковой обработкой.

Вязкость

Если вязкость электролита препятствует массопереносу, ультразвуковое перемешивание во время электролиза может быть полезным, поскольку оно улучшает перенос вещества к электродам и от них.

Соноэлектролиз с пульсирующим током

Пульсирующий ток на электродах, совершающих ультразвуковые колебания, приводит к образованию продуктов, отличных от продуктов при постоянном токе (DC). Например, пульсирующий ток может увеличивать соотношение озона и кислорода, образующихся на аноде при электролизе водного кислого раствора, например разбавленной серной кислоты. При электролизе этанола импульсным током образуется альдегид, тогда как в ином случае образуется преимущественно кислота.

Оборудование для электроультразвуковой обработки

Hielscher Ultrasonics разработала специальную соноэлектрохимическую модернизацию промышленных преобразователей. Модернизированный преобразователь работает почти со всеми типами сонотродов Hielscher.

Ультразвуковые электроды (сонотроды)

Сонотроды электрически изолированы от ультразвукового генератора. Поэтому на ультразвуковой сонотрод можно подать электрическое напряжение, чтобы он действовал как электрод. Стандартный электроизоляционный зазор между сонотродами и заземляющим контактом составляет 2,5 mm. Поэтому на сонотрод можно подавать напряжение до 2500 вольт. Стандартные сонотроды сплошные и изготовлены из титана. Поэтому ток электрода почти не ограничен. Титан обладает хорошей коррозионной стойкостью ко многим щелочным или кислым электролитам. Возможно использование альтернативных материалов сонотродов, таких как алюминий (Al), сталь (Fe), нержавеющая сталь, никель-хром-молибден или ниобий. Hielscher предлагает экономичные сонотроды, служащие расходуемыми анодами, например из алюминия или стали.

Ультразвуковой генератор, электропитание

Ультразвуковой генератор не требует каких-либо изменений и использует стандартную электрическую розетку с заземлением. Разумеется, ультразвуковой концентратор преобразователя и все внешние поверхности преобразователя и генератора соединены с заземлением электрической розетки. Сонотрод и крепёжный элемент – единственные детали, на которые подаётся напряжение электрода. Это упрощает проектирование установки. Сонотрод можно подключить к источнику постоянного тока (DC), пульсирующего постоянного тока или переменного тока (AC). Ультразвуковые электроды могут работать в качестве анодов или катодов соответственно.

Промышленное оборудование для электроультразвуковых процессов

Можно использовать любое ультразвуковое устройство Hielscher, такое как UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT или UIP4000hdT, для передачи ультразвуковой мощности до 4000 ватт на любой стандартный сонотрод или Cascatrode. Поверхностная интенсивность ультразвука на поверхности сонотрода может составлять от 1 ватта до 100 ватт ватт на квадратный сантиметр. Доступны сонотроды различной геометрии с амплитудами от 1 микрона до 150 микронов (от пика до пика). Ультразвуковая частота 20kHz очень эффективна для создания кавитации и акустических потоков в электролите. Ультразвуковые устройства Hielscher могут работать 24 часа в сутки, семь дней в неделю. Можно работать непрерывно при полной выходной мощности или в импульсном режиме, например для периодической очистки электродов. Hielscher Ultrasonics может поставлять ультразвуковые электроды с ультразвуковой мощностью до 16 киловатт (механические колебания) на каждый отдельный электрод. Электрическая мощность, которую можно подводить к электродам, почти не ограничена.

Ещё одно применение: соноэлектростатическое распыление

Hielscher Ultrasonics производит оборудование для распыления, образования тумана, мелкодисперсного распыления или аэрозолизации жидкостей. Ультразвуковой распыляющий сонотрод может придавать жидкому туману или аэрозолям положительный заряд. Это сочетает ультразвуковое распыление с технологией электростатического распыления, например для процессов нанесения покрытий.

Литература / ссылки

• 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.