Соно-электрохимия и ее преимущества

Здесь вы найдете все, что вам нужно знать об ультразвуковой электрохимии (соноэлектрохимии): принципе работы, применении, преимуществах и соноэлектрохимическом оборудовании – Вся актуальная информация о соноэлектрохимии на одной странице.

Зачем применять ультразвук в электрохимии?

Комбинация низкочастотных ультразвуковых волн высокой интенсивности с электрохимическими системами дает множество преимуществ, которые повышают эффективность и скорость преобразования электрохимических реакций.

Принцип работы ультразвука

Для высокопроизводительной ультразвуковой обработки высокоинтенсивный низкочастотный ультразвук генерируется ультразвуковым генератором и передается через ультразвуковой зонд (сонотрод) в жидкость. Ультразвуком высокой мощности считается ультразвук в диапазоне 16-30 кГц. Ультразвуковой зонд расширяется и сжимается, например, на частоте 20 кГц, тем самым передавая в среду соответственно 20 000 колебаний в секунду. Когда ультразвуковые волны проходят через жидкость, чередующиеся циклы высокого давления (сжатие) и низкого давления (разрежение или расширение) создают мельчайшие вакуумные пузырьки или полости, которые растут в течение нескольких циклов давления. Во время фазы сжатия жидкости и пузырьков давление положительное, в то время как в фазе разрежения образуется вакуум (отрицательное давление). Во время циклов сжатия-расширения полости в жидкости растут до тех пор, пока не достигнут размера, при котором они не смогут поглощать больше энергии. В этот момент они яростно взрываются. Имплозия этих полостей приводит к различным высокоэнергетическим эффектам, которые известны как явление акустической/ультразвуковой кавитации. Акустическая кавитация характеризуется разнообразными высокоэнергетическими эффектами, которые воздействуют на жидкости, твердые и жидкие системы, а также газожидкостные системы. Энергоемкая зона или кавитационная зона известна как так называемая зона горячих точек, которая наиболее энергоемка в непосредственной близости от ультразвукового зонда и уменьшается с увеличением расстояния от сонотрода. К основным характеристикам ультразвуковой кавитации относятся локально возникающие очень высокие температуры и давления и соответствующие дифференциалы, турбулентность и потоки жидкости. Во время имплозии ультразвуковых полостей в ультразвуковых горячих точках могут измеряться температуры до 5000 Кельвинов, давления до 200 атмосфер и струи жидкости со скоростью до 1000 км/ч. Эти выдающиеся энергоемкие условия способствуют сономеханическим и сонохимическим эффектам, которые интенсифицируют электрохимические системы различными способами.

Влияние ультразвука на электрохимические системы

Применение ультразвука в электрохимических реакциях известно различными воздействиями на электроды, т.е. анод и катод, а также на электролитический раствор. Ультразвуковая кавитация и акустическое обтекание создают значительное микродвижение, сталкиваясь с струями жидкости и перемешивая ее в реакционной жидкости. Это приводит к улучшению гидродинамики и движения смеси жидкости и твердого вещества. Ультразвуковая кавитация уменьшает эффективную толщину диффузионного слоя на электроде. Уменьшенный диффузионный слой означает, что ультразвуковая обработка сводит к минимуму разницу концентраций, то есть сходимость концентрации вблизи электрода и значения концентрации в объемном растворе обеспечивается ультразвуковым излучением. Влияние ультразвукового перемешивания на градиенты концентрации в процессе реакции обеспечивает постоянную подачу свежего раствора на электрод и вывоз прореагировавшего материала. Это означает, что ультразвуковая обработка улучшает общую кинетику, ускоряя скорость реакции и увеличивая выход реакции.
Путем введения в систему ультразвуковой энергии, а также сонохимического образования свободных радикалов может быть инициирована электрохимическая реакция, которая в противном случае была бы электронеактивной. 
Еще одним важным эффектом акустической вибрации и струи является очищающий эффект на поверхности электродов. Пассивирующие слои и загрязнения на электродах ограничивают эффективность и скорость реакции электрохимических реакций. Ультразвук поддерживает электроды в постоянной чистоте и полной активности для реакции. Ультразвук хорошо известен своими эффектами дегазации, которые полезны и в электрохимических реакциях. Удаляя нежелательные газы из жидкости, реакция может протекать более эффективно.

Применение соноэлектрохимии

Соноэлектрохимия может применяться в различных процессах и в различных отраслях промышленности. К наиболее распространенным областям применения соноэлектрохимии относятся следующие:

• Синтез наночастиц (электросинтез)
• синтез водорода
• электрокоагуляция
• Очистка сточных вод
• Разрушение эмульсий
• Гальваническое покрытие / Электроосаждение
• омический нагрев

Соно-электрохимический синтез наночастиц

Ультразвуковая технология была успешно применена для синтеза различных наночастиц в электрохимической системе. С помощью соноэлектрохимии были успешно получены наночастицы магнетита, нанотрубки кадмия-селена (CdSe), наночастицы платины (НЧ), ЧП золота, металлический магний, висмутен, наносеребро, ультрадисперсные наночастицы меди, сплава вольфрама-кобальта (W–Co), нанокомпозит самария/восстановленный оксид графена, наночастицы меди с покрытием из полиакриловой кислоты размером менее 1 нм и многие другие наноразмерные порошки.
К преимуществам синтеза соноэлектрохимических наночастиц можно отнести

• отказ от восстановителей и поверхностно-активных веществ
• использование воды в качестве растворителя
• регулировка размера наночастиц по различным параметрам (мощность ультразвука, плотность тока, потенциал осаждения и время ультразвукового и электрохимического импульсов)

Ashasssi-Sorkhabi и Bagheri (2014) синтезировали полипиррольные пленки соноэлектрохимически и сравнили результаты с электрохеически синтезированными полипиррольными пленками. Результаты показывают, что гальваностатическое соноэлектроосаждение образует на стали сильно адгезивную и гладкую полипиррольную пленку (PPy) с плотностью тока 4 мА см–2 в 0,1 М щавелевой кислоте/0,1 М растворе пирроли. С помощью соноэлектрохимической полимеризации были получены высокопрочные и прочные пленки PPy с гладкой поверхностью. Показано, что покрытия PPy, полученные методом соноэлектрохимии, обеспечивают существенную антикоррозионную защиту стали St-12. Синтезированное покрытие было однородным и проявляло высокую коррозионную стойкость. Все эти результаты можно объяснить тем, что ультразвук усиливал массоперенос реагентов и вызывал высокую скорость химических реакций за счет акустической кавитации и, как следствие, высоких температур и давлений. Достоверность данных об импедансе для интерфейса сталь Ст-12/два покрытия PPy/коррозионные среды была проверена с помощью преобразований KK, и наблюдались низкие средние погрешности.

Hass и Gedanken (2008) сообщили об успешном соно-электрохимическом синтезе металлических наночастиц магния. Эффективность в соноэлектрохимическом процессе реагента Грингарда в тетрагидрофуране (ТГФ) или в растворе дибутилдиглима составила 41,35% и 33,08% соответственно. Добавление AlCl3 в раствор Грингарда значительно повысило эффективность, подняв ее до 82,70% и 51,69% по ТГФ или дибутилдиглиму соответственно.

Соно-электрохимическое производство водорода

Электролиз под ультразвуковым давлением значительно увеличивает выход водорода из воды или щелочных растворов. Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом ускорении электролитического синтеза водорода!

Ультразвуковая электрокоагуляция

Применение низкочастотного ультразвука в системах электрокоагуляции известно как соно-электрокоагуляция. Исследования показывают, что ультразвуковая обработка положительно влияет на электрокоагуляцию, что приводит, например, к повышению эффективности удаления гидроксидов железа из сточных вод. Положительное влияние ультразвука на электрокоагуляцию объясняется уменьшением пассивации электродов. Низкочастотный ультразвук высокой интенсивности разрушает осажденный твердый слой и эффективно удаляет его, тем самым поддерживая постоянную полную активность электродов. Кроме того, ультразвук активирует оба типа ионов, т.е. катионы и анионы, присутствующие в зоне реакции электродов. Ультразвуковое перемешивание приводит к сильному микродвижению раствора, подавая и унося сырье и продукт к электродам и от них.
Примерами успешных процессов соно-электрокоагуляции являются восстановление Cr(VI) до Cr(III) в сточных водах фармацевтической отрасли, удаление общего фосфора из сточных вод тонкой химической промышленности с эффективностью удаления фосфора 99,5% в течение 10 мин., удаление цвета и ХПК из сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности и т.д. Зарегистрированная эффективность удаления цвета, ХПК, Cr(VI), Cu(II) и P составила 100%, 95%, 100%, 97,3% и 99,84% соответственно. (ср. Аль-Кода & Al-Shannag, 2018)

Соно-электрохимическая деградация загрязняющих веществ

Ультразвуковые электрохимические реакции окисления и/или восстановления применяются в качестве мощного метода разложения химических загрязнителей. Сономеханические и сонохимические механизмы способствуют электрохимическому разложению загрязняющих веществ. Ультразвуковая кавитация приводит к интенсивному перемешиванию, микроперемешиванию, массопереносу и удалению пассивирующих слоев с электродов. Эти кавитационные эффекты приводят в основном к увеличению массопереноса твердого тела и жидкости между электродами и раствором. Сонохимические эффекты напрямую воздействуют на молекулы. Гомолитическое расщепление молекул приводит к образованию высокореактивных окислителей. В водных средах и в присутствии кислорода образуются такие радикалы, как HO•, HO2• и O•. • Известно, что радикалы ОН важны для эффективного разложения органических материалов. В целом, соно-электрохимическое разложение показывает высокую эффективность и подходит для очистки больших объемов потоков сточных вод и других загрязненных жидкостей.
Например, Lllanos et al. (2016) обнаружили, что значительный синергетический эффект был получен при обеззараживании воды при интенсификации электрохимической системы с помощью ультразвука (соно-электрохимического обеззараживания). Было обнаружено, что это увеличение скорости дезинфекции связано с подавлением аголомеров клеток E. coli, а также с усилением производства дезинфицирующих веществ. 
Esclapez et al. (2010) показали, что специально разработанный соноэлектрохимический реактор (однако не оптимизированный) использовался во время масштабирования деградации трихлоруксусной кислоты (TCAA), наличие ультразвукового поля, созданного с помощью UIP1000hd, обеспечивало лучшие результаты (фракционное преобразование 97%, эффективность деградации 26%, селективность 0,92 и текущая эффективность 8%) при более низких интенсивностях ультразвука и объемном потоке. Учитывая тот факт, что предпилотный соноэлектрохимический реактор еще не был оптимизирован, весьма вероятно, что эти результаты могут быть еще более улучшены.

Ультразвуковая вольтамперометрия и электроосаждение

Электроосаждение проводили гальваностатическим методом при плотности тока 15 мА/см2. Растворы подвергали ультразвуковому воздействию перед электроосаждением в течение 5–60 минут. Хильшер Ультразвуковой аппарат зондового типа UP200S использовался при времени цикла 0,5. Ультразвуковое исследование достигалось путем непосредственного погружения ультразвукового зонда в раствор. Для оценки воздействия ультразвука на раствор до электроосаждения использовалась циклическая вольтамперометрия (ХВ), позволяющая выявить поведение раствора и позволяет прогнозировать идеальные условия для электроосаждения. Замечено, что при ультразвуковом воздействии раствора перед электроосаждением начинается осаждение при менее отрицательных значениях потенциала. Это означает, что при одинаковом токе в растворе требуется меньший потенциал, так как вещества в растворе ведут себя более активно, чем в неультразвуковых. (ср. Юрдал & Karahan 2017)
Подробнее о соноэлектрохимическом осаждении наноулучшенных покрытий!

Высокопроизводительные электрохимические зонды и соноэлектрореакторы

Hielscher Ultrasonics - ваш давний опытный партнер в области высокопроизводительных ультразвуковых систем. Мы производим и продаем самые современные ультразвуковые зонды и реакторы, которые используются во всем мире для тяжелых условий эксплуатации в сложных условиях. Для соноэлектрохимии Хильшер разработал специальные ультразвуковые зонды, которые могут выступать в качестве катода и/или анода, а также ультразвуковые реакторные ячейки, пригодные для электрохимических реакций. Ультразвуковые электроды и ячейки доступны как для гальванических/гальванических, так и для электролитических систем.

Точно контролируемые амплитуды для достижения оптимальных результатов

Все ультразвуковые процессоры Hielscher являются точно управляемыми и, следовательно, надежными рабочими лошадками в R&D и продакшн. Амплитуда является одним из важнейших параметров процесса, влияющих на эффективность и результативность сонохимических и сономеханически индуцированных реакций. Все ультразвуковые аппараты Hielscher’ Процессоры позволяют точно настраивать амплитуду. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher могут обеспечивать очень высокую амплитуду и необходимую интенсивность ультразвука для требовательных соно-электрохамиальных приложений. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7.
Точная настройка амплитуды и постоянный мониторинг параметров ультразвукового процесса с помощью интеллектуального программного обеспечения дают вам возможность точно влиять на соноэлектрохимическую реакцию. Во время каждого прогона ультразвуковой обработки все ультразвуковые параметры автоматически записываются на встроенную SD-карту, так что каждый прогон может быть оценен и проконтролирован. Оптимальная ультразвук для наиболее эффективных соноэлектрохимических реакций!
Все оборудование рассчитано на использование в режиме 24/7/365 при полной нагрузке, а его прочность и надежность делают его рабочей лошадкой в вашем электрохимическом процессе. Это делает ультразвуковое оборудование Hielscher надежным рабочим инструментом, отвечающим вашим требованиям к соноэлектрохимическим процессам.

Высочайшее качество – Разработано и произведено в Германии

Будучи семейным предприятием, Hielscher отдает приоритет высочайшим стандартам качества своих ультразвуковых процессоров. Все ультразвуковые аппараты спроектированы, изготовлены и тщательно протестированы в нашем головном офисе в Тельтове недалеко от Берлина, Германия. Прочность и надежность ультразвукового оборудования Hielscher делают его рабочей лошадкой на вашем производстве. Работа в режиме 24/7 при полной нагрузке и в сложных условиях является естественной характеристикой высокопроизводительных ультразвуковых зондов и реакторов Hilcher.

Свяжитесь с нами сейчас и расскажите нам о ваших требованиях к электрохимическим процессам! Мы порекомендуем вам наиболее подходящие ультразвуковые электроды и конфигурацию реактора!