Elektrosonikácia – Ultrazvukové elektródy

Elektrosonikácia je kombinácia účinkov elektriny s účinkami sonikácie. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyvinula novú a elegantnú metódu na použitie akejkoľvek sonotródy ako elektródy. To dáva silu ultrazvuku priamo na rozhranie medzi ultrazvukovou elektródou a kvapalinou. Tam môže podporovať elektrolýzu, zlepšovať prenos hmoty a rozbíjať hraničné vrstvy alebo usadeniny. Spoločnosť Hielscher dodáva výrobné zariadenia pre elektrosonikačné procesy v dávkových a inline procesoch v akomkoľvek rozsahu. Elektrosonikáciu môžete kombinovať s manosonikáciou (tlak) a termosonikáciou (teplota).

Aplikácie ultrazvukových elektród

Aplikácia ultrazvuku na elektródy je nová technológia s výhodami pre mnoho rôznych procesov v elektrolýze, galvanizácii, elektročistení, výrobe vodíka a elektrokoagulácii, syntéze častíc alebo iných elektrochemických reakciách. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics má ultrazvukové elektródy ľahko dostupné pre výskum a vývoj v laboratórnom alebo pilotnom meradle. Po otestovaní a optimalizácii elektrolytického procesu môžete použiť ultrazvukové zariadenie Hielscher Ultrasonics na zvýšenie výsledkov procesu na úroveň priemyselnej výroby. Nižšie nájdete návrhy a odporúčania na použitie ultrazvukových elektród.

Sonoelektrolýza (ultrazvuková elektrolýza)

Elektrolýza je výmena atómov a iónov odstránením alebo pridaním elektrónov v dôsledku aplikácie elektrického prúdu. Produkty elektrolýzy môžu mať odlišný fyzikálny stav ako elektrolyt. Elektrolýza môže produkovať pevné látky, ako sú zrazeniny alebo pevné vrstvy na ktorejkoľvek z elektród. Alternatívne môže elektrolýza produkovať plyny, ako je vodík, chlór alebo kyslík. Ultrazvukové miešanie elektródy môže rozbiť pevné usadeniny z povrchu elektródy. Ultrazvukové odplyňovanie rýchlo vytvára väčšie plynové bubliny z rozpustených plynov mikrobublín. To vedie k rýchlejšiemu oddeleniu plynných produktov od elektrolytu.

Ultrazvukový UIP2000hdT (2000 wattov, 20 kHz) ako katóda a/alebo anóda v elektrolytickom článku

Ultrazvukom vylepšený prenos hmoty na povrchu elektródy

Počas procesu elektrolýzy sa produkty hromadia v blízkosti elektród alebo na povrchu elektródy. Ultrazvukové miešanie je veľmi účinný nástroj na zvýšenie prenosu hmoty v hraničných vrstvách. Tento efekt prináša čerstvý elektrolyt do kontaktu s povrchom elektródy. Kavitačné prúdenie odvádza produkty elektrolýzy, ako sú plyny alebo pevné látky, preč z povrchu elektródy. Tým sa zabráni inhibičnej tvorbe izolačných vrstiev.

Účinky ultrazvuku na rozkladný potenciál

Ultrazvukové miešanie anódy, katódy alebo oboch elektród môže ovplyvniť rozkladný potenciál alebo rozkladné napätie. Je známe, že samotná kavitácia rozbíja molekuly, produkuje voľné radikály alebo ozón. Kombinácia kavitácie s elektrolýzou v ultrazvukovo zosilnenej elektrolýze môže ovplyvniť minimálne požadované napätie medzi anódou a katódou elektrolytického článku, aby došlo k elektrolýze. Mechanické a sonochemické účinky kavitácie môžu tiež zlepšiť energetickú účinnosť elektrolýzy.

Ultrazvuk v elektrorafinácii a elektrolytickom získavaní

V procese elektrorafinácie sa pevné usadeniny kovov, ako je meď, môžu zmeniť na suspenziu pevných častíc v elektrolyte. Pri elektrolytickom získavaní, nazývanom aj elektroextrakcia, sa elektrolytické nanášanie kovov z ich rúd môže zmeniť na pevnú zrazeninu. Bežné elektrolyzované kovy sú olovo, meď, zlato, striebro, zinok, hliník, chróm, kobalt, mangán a kovy vzácnych zemín a alkalických kovov.
Ultrazvuk je účinným prostriedkom aj na vylúhovanie rúd.

Sonoelektrolytické čistenie kvapalín

Vyčistite kvapalinu, napr. vodné roztoky, ako je odpadová voda, kal a podobne, vedením roztoku cez elektrické pole dvoch elektród! Elektrolýza môže dezinfikovať alebo čistiť vodné roztoky. Podávanie roztoku NaCI spolu s vodou cez elektródy alebo cez elektródy vytvára Cl2 alebo CIO2, ktoré môžu oxidovať nečistoty a dezinfikovať vodu alebo vodné roztoky. Ak voda obsahuje dostatok prírodných chloridov, nie je potrebné ich pridávať.
Ultrazvukové vibrácie elektródy môžu čo najtenšiu hraničnú vrstvu medzi elektródou a vodou. To môže zlepšiť prenos hmoty o mnoho rádov. Ultrazvukové vibrácie a kavitácia výrazne znižujú tvorbu mikroskopických bublín v dôsledku polarizácie. Použitie ultrazvukových elektród na elektrolýzu výrazne zlepšuje proces elektrolytického čistenia.

Sono-elektrokoagulácia (ultrazvuková elektrokoagulácia)

Elektrokoagulácia je metóda čistenia odpadových vôd na odstránenie kontaminantov, ako je emulgovaný olej, celkové ropné uhľovodíky, žiaruvzdorné organické látky, nerozpustné tuhé látky a ťažké kovy. Rádioaktívne ióny môžu byť tiež odstránené na čistenie vody. Pridanie ultrazvukovej elektrokoagulácie, tiež známej ako sono-elektrokoagulácia, má pozitívny vplyv na chemickú spotrebu kyslíka alebo účinnosť odstraňovania zákalu. Kombinované procesy elektrokoagulačného čistenia preukázali výrazne zvýšené výkony pri odstraňovaní znečisťujúcich látok z priemyselných odpadových vôd. Integrácia kroku tvorby voľných radikálov, ako je ultrazvuková kavitácia s elektrokoaguláciou, ukazuje synergiu a zlepšenie celkového procesu čistenia. Účelom použitia týchto ultrazvukovo-elektrolytických hybridných systémov je zvýšiť celkovú účinnosť spracovania a eliminovať nevýhody konvenčných procesov úpravy. Hybridné ultrazvukovo-elektrokoagulačné reaktory preukázateľne inaktivujú Escherichia coli vo vode.

Ultrazvukový UIP2000hdT (2000 wattov, 20kHz) ako sonokatóda a/alebo sonanóda v nádrži

Sono-elektrolytické in-situ generovanie činidiel alebo reaktantov

Mnoho chemických procesov, ako sú heterogénne reakcie alebo katalýza, ťaží z ultrazvukového miešania a ultrazvukovej kavitácie. Sonochemický vplyv môže zvýšiť rýchlosť reakcie alebo zlepšiť výťažnosť konverzie.
Ultrazvukom miešané elektródy dodávajú chemickým reakciám nový výkonný nástroj. Teraz môžete spojiť výhody sonochémie s elektrolýzou. Produkujte vodík, hydroxidové ióny, chlórnan a mnoho ďalších iónov alebo neutrálnych materiálov priamo v ultrazvukovom kavitačnom poli. Produkty elektrolýzy môžu pôsobiť ako činidlá alebo ako reaktanty na chemickú reakciu.

Kombinácia ultrazvuku s pulzným elektrickým poľom

Kombinácia pulzného elektrického poľa (PEF) a ultrazvuku (US) má pozitívne účinky na extrakciu fyzikálno-chemických, bioaktívnych zlúčenín a chemickú štruktúru extraktov. Pri extrakcii mandlí kombinovaná úprava (PEF-US) vyprodukovala najvyššie hladiny celkových fenolov, celkových flavonoidov, kondenzovaných trieslovín, obsahu antokyánov a antioxidačnej aktivity. Znížilo to silu a chelatačnú aktivitu kovov.
Ultrazvuk (US) a pulzné elektrické pole (PEF) možno použiť na zvýšenie efektívnosti procesu a rýchlosti výroby vo fermentačných procesoch zlepšením prenosu hmoty a priepustnosti buniek.
Kombinácia pulzného elektrického poľa a ultrazvukovej úpravy má vplyv na kinetiku sušenia na vzduchu a kvalitu sušenej zeleniny, ako je mrkva. Čas schnutia je možné skrátiť o 20 až 40% pri zachovaní rehydratačných vlastností.

Sono-elektrochémia / ultrazvuková elektrochémia

Pridajte ultrazvukom zosilnenú elektrolýzu na výrobu reaktantov alebo na spotrebu produktov chemických reakcií, aby ste posunuli konečnú rovnováhu chemickej reakcie alebo zmenili dráhu chemickej reakcie.

Navrhované nastavenie ultrazvukových elektród

Inovatívny dizajn ultrazvukových sondových ultrazvukov premení štandardnú ultrazvukovú sonotródu na ultrazvukovú vibračnú elektródu. Vďaka tomu je ultrazvuk pre elektródy dostupnejší, ľahšie sa integruje a ľahko škálovateľný na úroveň výroby. Iné konštrukcie miešali elektrolyt iba medzi dvoma nemiešanými elektródami. Tieňovanie a vzory šírenia ultrazvukových vĺn prinášajú horšie výsledky v porovnaní s priamym miešaním elektród. K anódam alebo katódam môžete pridať ultrazvukové vibrácie. Napätie a polaritu elektród môžete samozrejme kedykoľvek zmeniť. Elektródy Hielscher Ultrasonics sa dajú ľahko dodatočne namontovať do existujúcich nastavení.

Uzavreté sono-elektrolytické články a elektrochemické reaktory

K dispozícii je tlakovo tesné tesnenie medzi ultrazvukovou sonotródou (elektródou) a reaktorovou nádobou. Preto môžete elektrolytický článok prevádzkovať pri inom ako okolitom tlaku. Kombinácia ultrazvuku s tlakom sa nazýva manosonikácia. To môže byť zaujímavé, ak elektrolýza produkuje plyny, pri práci pri vyšších teplotách alebo pri práci s prchavými kvapalnými zložkami. Tesne uzavretý elektrochemický reaktor môže pracovať pri tlakoch nad alebo pod okolitým tlakom. Tesnenie medzi ultrazvukovou elektródou a reaktorom môže byť elektricky vodivé alebo izolačné. Ten umožňuje prevádzku stien reaktora ako druhej elektródy. Samozrejme, reaktor môže mať vstupné a výstupné otvory, ktoré fungujú ako reaktor s prietokovými bunkami pre kontinuálne procesy. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne štandardizované reaktory a plášťové prietokové články. Prípadne si môžete vybrať z radu adaptérov, ktoré namontujú Hielscher sonotrody do vášho elektrochemického reaktora.

Sústredné usporiadanie v potrubnom reaktore

Ak je ultrazvukovo miešaná elektróda v blízkosti druhej nemiešanej elektródy alebo v blízkosti steny reaktora, ultrazvukové vlny sa šíria kvapalinou a ultrazvukové vlny budú pôsobiť aj na ostatných povrchoch. Ultrazvukom miešaná elektróda, ktorá je sústredne orientovaná v potrubí alebo v reaktore, môže udržiavať vnútorné steny bez znečistenia alebo nahromadených pevných látok.

teplota

Pri použití štandardných Hielscherových sonotród ako elektród môže byť teplota elektrolytu medzi 0 a 80 stupňami Celzia. Sonotródy pre ostatné teploty elektrolytov v rozmedzí od -273 stupňov Celzia do 500 stupňov Celzia sú k dispozícii na požiadanie. Kombinácia ultrazvuku s teplotou sa nazýva termosonikácia.

viskozita

Ak viskozita elektrolytu bráni prenosu hmoty, ultrazvukové miešanie počas elektrolýzy by mohlo byť prospešné, pretože zlepšuje prenos materiálu do a z elektród.

Sonoelektrolýza pulzujúcim prúdom

Pulzujúci prúd na ultrazvukovo miešaných elektródach má za následok produkty odlišné od jednosmerného prúdu (DC). Napríklad pulzujúci prúd môže zvýšiť pomer ozónu k kyslíku produkovanému na anóde pri elektrolýze vodného kyslého roztoku, napr. zriedenej kyseliny sírovej. Pulznou prúdovou elektrolýzou etanolu vzniká aldehyd namiesto primárne kyseliny.

Zariadenia na elektrosonikáciu

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyvinula špeciálnu sonoelektrochemickú inováciu pre priemyselné prevodníky. Vylepšený prevodník pracuje s takmer všetkými typmi Hielscherových sonotrodov.

Ultrazvukové elektródy (sonotrody)

Sonotródy sú elektricky izolované od ultrazvukového generátora. Preto môžete ultrazvukovú sonotródu pripojiť k elektrickému napätiu, aby sonotróda mohla pôsobiť ako elektróda. Štandardná elektrická izolačná medzera medzi sonotródami a zemným kontaktom je 2,5 mm. Preto môžete na sonotródu aplikovať až 2500 voltov. Štandardné sonotródy sú pevné a vyrobené z titánu. Preto neexistuje takmer žiadne obmedzenie prúdu elektródy. Titán vykazuje dobrú odolnosť proti korózii voči mnohým alkalickým alebo kyslým elektrolytom. Možné sú alternatívne sonotródové materiály, ako je hliník (Al), oceľ (Fe), nehrdzavejúca oceľ, nikel-chróm-molybdén alebo niób. Spoločnosť Hielscher ponúka cenovo výhodné sonotrody s obetnou anódou, napr. z hliníka alebo ocele.

Ultrazvukový generátor, napájací zdroj

Ultrazvukový generátor nepotrebuje žiadne úpravy a používa štandardnú elektrickú zásuvku so zemou. Klaksón prevodníka a všetky vonkajšie povrchy prevodníka a generátora sú samozrejme pripojené k zemi elektrickej zásuvky. Sonotróda a výstužný prvok sú jediné časti spojené s elektródovým napätím. To uľahčuje návrh nastavenia. Sonotródu môžete pripojiť na jednosmerný prúd (DC), pulzujúci jednosmerný prúd alebo striedavý prúd (AC). Ultrazvukové elektródy môžu byť prevádzkované ako anódy alebo katódy.

Výrobné zariadenia pre elektrozvukové procesy

Môžete použiť akékoľvek ultrazvukové zariadenie Hielscher, ako je UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT alebo UIP4000hdT, aby ste spojili až 4000 wattov ultrazvukového výkonu s akoukoľvek štandardnou sonotródou alebo kaskatrózou. Ultrazvuková povrchová intenzita na povrchu sonotródy môže byť medzi 1 wattom až 100 wattmi na centimeter štvorcový. K dispozícii sú rôzne geometrie sonotród s amplitúdami od 1 mikrónu do 150 mikrónov (vrchol-vrchol). Ultrazvuková frekvencia 20 kHz je veľmi účinná pri vytváraní kavitácie a akustického prúdenia v elektrolyte. Ultrazvukové prístroje Hielscher môžu pracovať 24 hodín denne, sedem dní v týždni. Môžete pracovať nepretržite na plný výkon alebo pulzovať, napr. na pravidelné čistenie elektród. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics môže dodávať ultrazvukové elektródy s ultrazvukovým výkonom až 16 kilowattov (mechanické miešanie) na jednu elektródu. Elektrická energia, ktorú môžete pripojiť k elektródam, nie je takmer nijako obmedzená.

Ešte jedna vec: Sono-elektrostatické striekanie

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába zariadenia na striekanie, rozprašovanie, rozprašovanie alebo aerosólizovanie kvapalín. Ultrazvuková striekacia sonotróda môže dať tekutej hmle alebo aerosólom kladný náboj. Kombinuje ultrazvukové striekanie s technológiou elektrostatického striekania, napr. pre procesy nanášania.

Literatúra / Referencie