Соноэлектрохимия и её преимущества

Здесь вы найдёте всё, что нужно знать об ультразвуковой электрохимии (соноэлектрохимии): принцип работы, области применения, преимущества и соноэлектрохимическое оборудование – всю актуальную информацию о соноэлектрохимии на одной странице.

Зачем применять ультразвук в электрохимии?

Сочетание низкочастотных ультразвуковых волн высокой интенсивности с электрохимическими системами обеспечивает многочисленные преимущества, повышающие эффективность и скорость превращения в электрохимических реакциях.

Принцип действия ультразвука

Для высокопроизводительной ультразвуковой обработки ультразвуковой генератор создаёт низкочастотный ультразвук высокой интенсивности, который передаётся в жидкость через ультразвуковой зонд (сонотрод). Ультразвуком высокой мощности считается ультразвук в диапазоне 16–30kHz. Ультразвуковой зонд расширяется и сжимается, например, с частотой 20kHz, передавая при этом в среду соответственно 20 000 колебаний в секунду. При распространении ультразвуковых волн в жидкости чередующиеся циклы высокого давления (сжатия) / низкого давления (разрежения или расширения) создают мельчайшие вакуумные пузырьки или полости, которые растут в течение нескольких циклов изменения давления. Во время фазы сжатия жидкости и пузырьков давление положительное, тогда как фаза разрежения создаёт вакуум (отрицательное давление). В ходе циклов сжатия и расширения полости в жидкости растут, пока не достигнут размера, при котором они больше не могут поглощать энергию. В этот момент они резко схлопываются. Схлопывание этих полостей вызывает различные высокоэнергетические эффекты, известные как явление акустической / ультразвуковой кавитации. Акустическая кавитация характеризуется многочисленными высокоэнергетическими эффектами, воздействующими на жидкости, системы твёрдое тело/жидкость, а также системы газ/жидкость. Зона высокой плотности энергии, или кавитационная зона, известна как так называемая зона горячих точек; плотность энергии в ней максимальна в непосредственной близости от ультразвукового зонда и снижается по мере увеличения расстояния от сонотрода. Основные характеристики ультразвуковой кавитации включают локально возникающие очень высокие температуры и давления, соответствующие перепады, турбулентность и течения жидкости. При схлопывании ультразвуковых полостей в ультразвуковых горячих точках можно измерить температуры до 5000 Kelvin, давления до 200 atmospheres и скорости струй жидкости до 1000km/h. Эти исключительные условия с высокой концентрацией энергии способствуют сономеханическим и сонохимическим эффектам, которые различными способами интенсифицируют электрохимические системы.

Воздействие ультразвука на электрохимические системы

Применение обработки ультразвуком к электрохимическим реакциям известно различными эффектами воздействия на электроды, то есть анод и катод, а также на электролитический раствор. Ультразвуковая кавитация и акустические течения создают интенсивные микродвижения, ударяющие струи жидкости и перемешивание реакционной жидкости. Это улучшает гидродинамику и движение смеси жидкости и твёрдых веществ. Ультразвуковая кавитация уменьшает эффективную толщину диффузионного слоя у электрода. Уменьшение диффузионного слоя означает, что обработка ультразвуком сводит к минимуму разницу концентраций, то есть ультразвук способствует сближению концентрации вблизи электрода и значения концентрации в объёме раствора. Влияние ультразвукового перемешивания на градиенты концентрации во время реакции обеспечивает постоянную подачу свежего раствора к электроду и отвод прореагировавшего материала. Это означает, что обработка ультразвуком улучшает общую кинетику, ускоряя реакцию и повышая её выход.
Благодаря введению ультразвуковой энергии в систему, а также сонохимическому образованию свободных радикалов можно инициировать электрохимическую реакцию, которая иначе была бы электрохимически неактивной. Другой важный эффект акустических колебаний и течений – очистка поверхностей электродов. Пассивирующие слои и загрязнения на электродах ограничивают эффективность и скорость электрохимических реакций. Обработка ультразвуком поддерживает электроды постоянно чистыми и полностью активными для реакции. Обработка ультразвуком хорошо известна своим дегазирующим действием, которое также полезно для электрохимических реакций. Благодаря удалению нежелательных газов из жидкости реакция может протекать эффективнее.

Области применения соноэлектрохимии

Соноэлектрохимию можно применять в различных процессах и отраслях промышленности. К весьма распространённым областям применения соноэлектрохимии относятся:

• Синтез наночастиц (электросинтез)
• Синтез водорода
• Электрокоагуляция
• Очистка сточных вод
• Разрушение эмульсий
• Нанесение гальванических покрытий / электроосаждение
• Омический нагрев

Соноэлектрохимический синтез наночастиц

Обработка ультразвуком успешно применялась для синтеза различных наночастиц в электрохимической системе. С помощью соноэлектрохимии были успешно получены магнетит, кадмий-селеновые (CdSe) нанотрубки, наночастицы платины (NPs), наночастицы золота, металлический магний, висмутен, наносеребро, ультрадисперсная медь, наночастицы вольфрам-кобальтового (W–Co) сплава, нанокомпозит оксида самария/восстановленного оксида графена, наночастицы меди размером менее 1nm, покрытые полиакриловой кислотой, и многие другие наноразмерные порошки.
К преимуществам соноэлектрохимического синтеза наночастиц относятся:

• отсутствие необходимости в восстановителях и поверхностно-активных веществах
• использование воды в качестве растворителя
• регулирование размера наночастиц путём изменения параметров (мощности ультразвука, плотности тока, потенциала осаждения и соотношения длительностей ультразвуковых и электрохимических импульсов)

Ashasssi-Sorkhabi и Bagheri (2014) синтезировали полипиррольные плёнки соноэлектрохимическим методом и сравнили результаты с полипиррольными плёнками, синтезированными электрохимическим методом. Результаты показывают, что гальваностатическое соноэлектроосаждение позволило получить гладкую полипиррольную (PPy) плёнку с прочной адгезией к стали при плотности тока 4 mA cm–2 в растворе 0,1 M щавелевой кислоты/0,1 M пиррола. Используя соноэлектрохимическую полимеризацию, они получили прочные PPy-плёнки с высокой стойкостью и гладкой поверхностью. Было показано, что PPy-покрытия, полученные методом соноэлектрохимии, обеспечивают существенную защиту стали St-12 от коррозии. Синтезированное покрытие было однородным и обладало высокой коррозионной стойкостью. Все эти результаты могут быть обусловлены тем, что ультразвук усиливал массоперенос реагентов и обеспечивал высокие скорости химических реакций благодаря акустической кавитации и возникающим при этом высоким температурам и давлениям. Достоверность данных импеданса для границы раздела сталь St-12/два PPy-покрытия/коррозионная среда проверяли с помощью преобразований KK; при этом наблюдались низкие средние погрешности.

Hass и Gedanken (2008) сообщили об успешном соноэлектрохимическом синтезе наночастиц металлического магния. Эффективность соноэлектрохимического процесса с реагентом Грингарда в тетрагидрофуране (THF) или в растворе дибутилдиглима составила 41,35% и 33,08% соответственно. Добавление AlCl3 к раствору Грингарда резко повысило эффективность, увеличив её до 82,70% и 51,69% в THF и дибутилдиглиме соответственно.

Соноэлектрохимическое получение водорода

Электролиз, интенсифицированный ультразвуком, значительно повышает выход водорода из воды или щелочных растворов. Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ускоренном ультразвуком электролитическом синтезе водорода!

Электрокоагуляция с применением ультразвука

Применение низкочастотного ультразвука в системах электрокоагуляции известно как соноэлектрокоагуляция. Исследования показывают, что обработка ультразвуком положительно влияет на электрокоагуляцию, например, повышая эффективность удаления гидроксидов железа из сточных вод. Положительное воздействие ультразвука на электрокоагуляцию объясняется снижением пассивации электродов. Низкочастотный ультразвук высокой интенсивности разрушает осаждённые твёрдые слои и эффективно удаляет их, поддерживая электроды постоянно полностью активными. Кроме того, ультразвук активирует оба типа ионов, то есть катионы и анионы, присутствующие в реакционной зоне электродов. Ультразвуковое перемешивание вызывает интенсивные микродвижения раствора, обеспечивая подачу исходного материала и продукта к электродам и их отвод от электродов.
Примеры успешных процессов соноэлектрокоагуляции включают восстановление Cr(VI) до Cr(III) в сточных водах фармацевтической промышленности, удаление общего фосфора из стоков промышленности тонкого органического синтеза с эффективностью удаления фосфора 99,5% за 10 мин., удаление окраски и снижение ХПК в стоках целлюлозно-бумажной промышленности и т. д. Сообщалось, что эффективность удаления окраски, снижения ХПК и удаления Cr(VI), Cu(II) и P составила 100%, 95%, 100%, 97,3% и 99,84% соответственно. (см. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Соноэлектрохимическое разложение загрязняющих веществ

Интенсифицированные ультразвуком электрохимические реакции окисления и/или восстановления применяются как мощный метод разложения химических загрязняющих веществ. Сономеханические и сонохимические механизмы способствуют электрохимическому разложению загрязняющих веществ. Кавитация, создаваемая ультразвуком, обеспечивает интенсивное перемешивание, микросмешивание, массоперенос и удаление пассивирующих слоёв с электродов. Эти кавитационные эффекты преимущественно усиливают массоперенос между твёрдой и жидкой фазами на границе электродов и раствора. Сонохимические эффекты непосредственно воздействуют на молекулы. Гомолитическое расщепление молекул создаёт высокореакционноспособные окислители. В водных средах и в присутствии кислорода образуются такие радикалы, как HO•, HO2• и O•. Известно, что радикалы •OH важны для эффективного разложения органических веществ. В целом соноэлектрохимическое разложение демонстрирует высокую эффективность и подходит для обработки больших объёмов потоков сточных вод и других загрязнённых жидкостей.
Например, Lllanos и соавт. (2016) обнаружили значительный синергетический эффект при обеззараживании воды, когда электрохимическую систему интенсифицировали обработкой ультразвуком (соноэлектрохимическое обеззараживание). Было установлено, что это повышение скорости обеззараживания связано с подавлением агломератов клеток E. coli, а также с усиленным образованием обеззараживающих частиц. Esclapez и соавт. (2010) показали, что при масштабировании процесса разложения трихлоруксусной кислоты (TCAA) использовался специально разработанный соноэлектрохимический реактор (однако не оптимизированный), а наличие ультразвукового поля, создаваемого UIP1000hd, обеспечивало лучшие результаты (степень превращения 97%, эффективность разложения 26%, селективность 0,92 и выход по току 8%) при меньших интенсивностях ультразвука и меньшем объёмном расходе. Учитывая, что этот предпилотный соноэлектрохимический реактор ещё не был оптимизирован, весьма вероятно, что эти результаты можно дополнительно улучшить.

Ультразвуковая вольтамперометрия и электроосаждение

Электроосаждение проводили в гальваностатическом режиме при плотности тока 15 мА/см2. Перед электроосаждением растворы подвергали обработке ультразвуком в течение 5–60 минут. Ультразвуковой аппарат Hielscher UP200S зондового типа использовали со временем цикла 0,5. Обработку ультразвуком осуществляли путём непосредственного погружения ультразвукового зонда в раствор. Для оценки воздействия ультразвука на раствор перед электроосаждением использовали циклическую вольтамперометрию (CV), позволяющую выявить поведение раствора и предсказать идеальные условия электроосаждения. Наблюдается, что после обработки раствора ультразвуком перед электроосаждением осаждение начинается при менее отрицательных значениях потенциала. Это означает, что при том же токе в растворе требуется меньший потенциал, поскольку частицы в растворе ведут себя активнее, чем в растворах, не подвергавшихся обработке ультразвуком. (см. Yurdal & Karahan 2017)
Узнайте больше о соноэлектрохимическом осаждении покрытий, улучшенных наноматериалами!

Высокопроизводительные электрохимические зонды и соноэлектрореакторы

Hielscher Ultrasonics – ваш партнёр с многолетним опытом в области высокопроизводительных ультразвуковых систем. Мы производим и поставляем современные ультразвуковые зонды и реакторы, которые используются во всём мире для интенсивных процессов в сложных условиях. Для соноэлектрохимии Hielscher разработала специальные ультразвуковые зонды, которые могут служить катодом и/или анодом, а также ультразвуковые реакторные ячейки, подходящие для электрохимических реакций. Ультразвуковые электроды и ячейки доступны как для гальванических / вольтаических, так и для электролитических систем.

Точно регулируемые амплитуды для оптимальных результатов

Все ультразвуковые процессоры Hielscher допускают точное управление и поэтому служат надёжными рабочими инструментами в исследованиях, разработках и производстве. Амплитуда – один из важнейших параметров процесса, влияющих на эффективность и результативность реакций, вызываемых сонохимическим и сономеханическим воздействием. Все процессоры Hielscher Ultrasonics позволяют точно задавать амплитуду. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher могут обеспечивать очень высокие амплитуды и необходимую интенсивность ультразвука для сложных соноэлектрохимических применений. Непрерывная работа с амплитудами до 200µm легко обеспечивается в режиме 24/7.
Точная настройка амплитуды и постоянный мониторинг параметров ультразвукового процесса с помощью интеллектуального программного обеспечения позволяют точно воздействовать на соноэлектрохимическую реакцию. Во время каждого цикла обработки ультразвуком все ультразвуковые параметры автоматически записываются на встроенную SD-карту, что позволяет оценивать и контролировать каждый цикл. Оптимальная обработка ультразвуком для наиболее эффективных соноэлектрохимических реакций!
Всё оборудование рассчитано на работу в режиме 24/7/365 при полной нагрузке, а его прочность и надёжность делают его основным рабочим инструментом вашего электрохимического процесса. Благодаря этому ультразвуковое оборудование Hielscher служит надёжным рабочим инструментом, отвечающим требованиям вашего соноэлектрохимического процесса.

Высочайшее качество – разработано и изготовлено в Германии

Будучи семейным предприятием, которым управляет семья владельцев, Hielscher отдаёт приоритет высочайшим стандартам качества своих ультразвуковых процессоров. Все ультразвуковые аппараты разрабатываются, производятся и тщательно испытываются в нашей штаб-квартире в Тельтове под Берлином, Германия. Прочность и надёжность ультразвукового оборудования Hielscher делают его основным рабочим инструментом на вашем производстве. Работа в режиме 24/7 при полной нагрузке и в сложных условиях – естественная характеристика высокопроизводительных ультразвуковых зондов и реакторов Hielscher.

Свяжитесь с нами прямо сейчас и расскажите о требованиях к вашему электрохимическому процессу! Мы порекомендуем вам наиболее подходящие ультразвуковые электроды и конфигурацию реактора!