Elektrosonikácia – ultrazvukové elektródy

Elektrosonikácia je kombináciou účinkov elektriny s účinkami sonikácie. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyvinula novú a elegantnú metódu, ktorá umožňuje použiť akúkoľvek sonotródu ako elektródu. Tým sa výkon ultrazvuku privádza priamo na rozhranie medzi ultrazvukovou elektródou a kvapalinou. Tam môže podporovať elektrolýzu, zlepšovať prenos hmoty a narúšať medzné vrstvy alebo usadeniny. Spoločnosť Hielscher dodáva zariadenia určené do výroby na elektrosonikáciu vo vsádzkových aj prietokových procesoch v akomkoľvek meradle. Elektrosonikáciu môžete kombinovať s manosonikáciou (tlak) a termosonikáciou (teplota).

Použitie ultrazvukových elektród

Aplikácia ultrazvuku na elektródy je nová technológia, ktorá prináša výhody mnohým rôznym procesom v oblasti elektrolýzy, galvanického pokovovania, elektrochemického čistenia, výroby vodíka a elektrokoagulácie, syntézy častíc či iných elektrochemických reakcií. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics má pohotovo k dispozícii ultrazvukové elektródy na výskum a vývoj pri elektrolýze v laboratórnom alebo poloprevádzkovom meradle. Po otestovaní a optimalizácii vášho elektrolytického procesu môžete použiť ultrazvukové zariadenia Hielscher Ultrasonics výrobnej veľkosti na prenesenie výsledkov vášho procesu do priemyselnej výroby. Nižšie nájdete návrhy a odporúčania na používanie ultrazvukových elektród.

Sonoelektrolýza (ultrazvuková elektrolýza)

Elektrolýza je vzájomná premena atómov a iónov odoberaním alebo pridávaním elektrónov v dôsledku pôsobenia elektrického prúdu. Produkty elektrolýzy môžu mať iné skupenstvo ako elektrolyt. Elektrolýzou môžu vznikať tuhé látky, napríklad zrazeniny alebo tuhé vrstvy na ktorejkoľvek z elektród. Elektrolýzou môžu prípadne vznikať plyny, napríklad vodík, chlór alebo kyslík. Ultrazvukové rozkmitanie elektródy môže odstraňovať tuhé usadeniny z jej povrchu. Ultrazvukovým odplyňovaním rýchlo vznikajú väčšie plynové bubliny z rozpustených plynov mikrobublín. To vedie k rýchlejšiemu oddeleniu plynných produktov od elektrolytu.

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

Ultrazvukom zlepšený prenos hmoty na povrchu elektródy

Počas elektrolýzy sa produkty hromadia v blízkosti elektród alebo na povrchu elektródy. Ultrazvukové rozkmitanie je veľmi účinným nástrojom na zvýšenie prenosu hmoty v medzných vrstvách. Tento účinok privádza čerstvý elektrolyt do kontaktu s povrchom elektródy. Kavitačné prúdenie odvádza produkty elektrolýzy, napríklad plyny alebo tuhé látky, od povrchu elektródy. Tým sa zabraňuje tvorbe izolačných vrstiev, ktoré brzdia proces.

Účinky ultrazvuku na rozkladný potenciál

Ultrazvukové rozkmitanie anódy, katódy alebo oboch elektród môže ovplyvniť rozkladný potenciál alebo rozkladné napätie. Je známe, že samotná kavitácia rozkladá molekuly a vytvára voľné radikály alebo ozón. Kombinácia kavitácie s elektrolýzou pri ultrazvukom podporovanej elektrolýze môže ovplyvniť minimálne napätie medzi anódou a katódou elektrolytického článku potrebné na to, aby prebiehala elektrolýza. Mechanické a sonochemické účinky kavitácie môžu tiež zlepšiť energetickú účinnosť elektrolýzy.

Ultrazvuk pri elektrolytickej rafinácii a elektrolytickom získavaní kovov

Pri elektrolytickej rafinácii sa tuhé usadeniny kovov, napríklad medi, môžu premeniť na suspenziu tuhých častíc v elektrolyte. Pri elektrolytickom získavaní kovov, nazývanom aj elektroextrakcia, sa môže elektrolytické vylučovanie kovov z ich rúd premeniť na tuhú zrazeninu. Medzi bežne elektrolyticky získavané kovy patria olovo, meď, zlato, striebro, zinok, hliník, chróm, kobalt, mangán, kovy vzácnych zemín a alkalické kovy.
Ultrazvukové spracovanie je účinným prostriedkom aj na lúhovanie rúd.

Sonoelektrolytické čistenie kvapalín

Vyčistite kvapalinu, napr. vodný roztok, ako je odpadová voda, kal alebo podobné médium, vedením roztoku cez elektrické pole dvoch elektród! Elektrolýza môže dezinfikovať alebo čistiť vodné roztoky. Privádzaním roztoku NaCI spolu s vodou cez elektródy alebo ponad elektródy vzniká Cl2 alebo CIO2, ktoré môžu oxidovať nečistoty a dezinfikovať vodu alebo vodné roztoky. Ak voda obsahuje dostatok prirodzene sa vyskytujúcich chloridov, pridávanie nie je potrebné.
Ultrazvukové vibrácie elektródy môžu čo najviac zmenšiť hrúbku medznej vrstvy medzi elektródou a vodou. To môže zlepšiť prenos hmoty o mnoho rádov. Ultrazvukové vibrácie a kavitácia výrazne obmedzujú tvorbu mikroskopických bublín v dôsledku polarizácie. Použitie ultrazvukových elektród pri elektrolýze výrazne zlepšuje proces elektrolytického čistenia.

Sonoelektrokoagulácia (ultrazvuková elektrokoagulácia)

Elektrokoagulácia je metóda čistenia odpadových vôd na odstraňovanie kontaminantov, ako sú emulgovaný olej, celkové ropné uhľovodíky, ťažko rozložiteľné organické látky, nerozpustené látky a ťažké kovy. Pri čistení vody možno odstraňovať aj rádioaktívne ióny. Doplnenie elektrokoagulácie o pôsobenie ultrazvuku, známe aj ako sonoelektrokoagulácia, má pozitívny vplyv na chemickú spotrebu kyslíka alebo účinnosť odstraňovania zákalu. Kombinované procesy čistenia s elektrokoaguláciou preukázali výrazne vyššiu účinnosť pri odstraňovaní znečisťujúcich látok z priemyselných odpadových vôd. Integrácia kroku produkujúceho voľné radikály, ako je ultrazvuková kavitácia, s elektrokoaguláciou vykazuje synergický účinok a zlepšenie celkového procesu čistenia. Účelom použitia týchto hybridných ultrazvukovo-elektrolytických systémov je zvýšiť celkovú účinnosť čistenia a odstrániť nevýhody konvenčných procesov čistenia. Preukázalo sa, že hybridné ultrazvukovo-elektrokoagulačné reaktory inaktivujú Escherichia coli vo vode.

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

Sonoelektrolytická tvorba činidiel alebo reaktantov in situ

Mnohé chemické procesy, ako sú heterogénne reakcie alebo katalýza, využívajú výhody ultrazvukového miešania a ultrazvukovej kavitácie. Sonochemické pôsobenie môže zvýšiť rýchlosť reakcie alebo zlepšiť výťažky konverzie.
Ultrazvukovo rozkmitávané elektródy prinášajú nový účinný nástroj pre chemické reakcie. Teraz môžete kombinovať výhody sonochémie s elektrolýzou. Vytvárajte vodík, hydroxidové ióny, chlórnan a mnohé ďalšie ióny alebo neutrálne látky priamo v poli ultrazvukovej kavitácie. Produkty elektrolýzy môžu v chemickej reakcii pôsobiť ako činidlá alebo ako reaktanty.

Kombinácia ultrazvuku s pulzným elektrickým poľom

Kombinácia pulzného elektrického poľa (PEF) a ultrazvuku (US) má pozitívne účinky na extrakciu fyzikálnochemických, bioaktívnych zlúčenín a na chemickú štruktúru extraktov. Pri extrakcii mandlí sa kombinovaným spracovaním (PEF–US) dosiahli najvyššie hodnoty celkového obsahu fenolových látok, celkového obsahu flavonoidov, kondenzovaných tanínov, obsahu antokyánov a antioxidačnej aktivity. Znížilo výkon a aktivitu chelatácie kovov.
Ultrazvuk (US) a pulzné elektrické pole (PEF) možno využiť na zvýšenie účinnosti procesov a rýchlosti produkcie vo fermentačných procesoch zlepšením prenosu hmoty a priepustnosti buniek.
Kombinácia pôsobenia pulzného elektrického poľa a ultrazvuku má vplyv na kinetiku sušenia vzduchom a na kvalitu sušenej zeleniny, napríklad mrkvy. Čas sušenia možno skrátiť o 20 až 40% pri zachovaní rehydratačných vlastností.

Son يoelektrochémia / ultrazvuková elektrochémia

Zaraďte elektrolýzu podporovanú ultrazvukom na tvorbu reaktantov alebo spotrebúvanie produktov chemických reakcií s cieľom posunúť konečnú rovnováhu chemickej reakcie alebo zmeniť jej reakčnú dráhu.

Navrhované usporiadanie ultrazvukových elektród

Inovatívna konštrukcia sondových ultrazvukových zariadení premieňa štandardnú ultrazvukovú sonotródu na elektródu kmitajúcu ultrazvukom. Vďaka tomu je ultrazvuk pre elektródy dostupnejší, jednoduchšie sa integruje a dá sa ľahko škálovať na výrobnú úroveň. Iné konštrukcie rozkmitávali iba elektrolyt medzi dvoma elektródami bez kmitania. Tienenie a charakter šírenia ultrazvukových vĺn vedú k horším výsledkom v porovnaní s priamym rozkmitávaním elektródy. Ultrazvukové kmitanie môžete priviesť na anódy alebo katódy. Samozrejme, napätie a polaritu elektród môžete kedykoľvek zmeniť. Elektródy Hielscher Ultrasonics sa dajú jednoducho dodatočne namontovať do existujúcich zostáv.

Utesnený sonoelektrolytický článok a elektrochemické reaktory

K dispozícii je tlakotesné tesnenie medzi ultrazvukovou sonotródou (elektródou) a nádobou reaktora. Elektrolytický článok preto môžete prevádzkovať pri tlaku odlišnom od okolitého tlaku. Kombinácia ultrazvuku s tlakom sa nazýva manosonikácia. To môže byť zaujímavé, ak pri elektrolýze vznikajú plyny, pri práci pri vyšších teplotách alebo pri práci s prchavými zložkami kvapaliny. Tesne uzavretý elektrochemický reaktor môže pracovať pri tlakoch vyšších alebo nižších ako okolitý tlak. Tesnenie medzi ultrazvukovou elektródou a reaktorom môže byť elektricky vodivé alebo izolačné. Druhá možnosť umožňuje používať steny reaktora ako druhú elektródu. Reaktor môže mať, samozrejme, vstupné a výstupné otvory, aby fungoval ako prietokový reaktor pre kontinuálne procesy. Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne štandardizované reaktory a prietokové cely s plášťom. Prípadne si môžete vybrať z radu adaptérov na pripojenie sonotród Hielscher k vášmu elektrochemickému reaktoru.

Koncentrické usporiadanie v rúrkovom reaktore

Ak sa elektróda rozkmitávaná ultrazvukom nachádza v blízkosti druhej elektródy bez kmitania alebo v blízkosti steny reaktora, ultrazvukové vlny sa šíria kvapalinou a pôsobia aj na ostatné povrchy. Elektróda rozkmitávaná ultrazvukom, ktorá je koncentricky umiestnená v rúre alebo v reaktore, môže udržiavať vnútorné steny bez nánosov alebo nahromadených pevných látok.

Teplota

Pri použití štandardných sonotród Hielscher ako elektród môže byť teplota elektrolytu medzi 0 a 80 stupňami Celzia. Sonotródy pre iné teploty elektrolytu v rozsahu 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, miešanie ultrazvukovým rozkmitávaním počas elektrolýzy by mohlo byť prospešné, pretože zlepšuje prenos materiálu k elektródam aj od nich.

Sonoelektrolýza s pulzujúcim prúdom

Pulzujúci prúd na elektródach rozkmitávaných ultrazvukom vedie k iným produktom ako jednosmerný prúd (DC). Pulzujúci prúd môže napríklad zvýšiť pomer ozónu ku kyslíku vznikajúcemu na anóde pri elektrolýze vodného kyslého roztoku, napr. zriedenej kyseliny sírovej. Pri elektrolýze etanolu pulzným prúdom vzniká aldehyd namiesto prevažne kyseliny.

Zariadenia na elektrosonikáciu

Hielscher Ultrasonics vyvinula špeciálnu sonoelektrochemickú úpravu pre priemyselné meniče. Upravený menič pracuje s takmer všetkými typmi sonotród Hielscher.

Ultrazvukové elektródy (sonotródy)

Sonotródy sú elektricky izolované od ultrazvukového generátora. Preto môžete ultrazvukovú sonotródu pripojiť k elektrickému napätiu, aby mohla fungovať ako elektróda. Štandardná elektrická izolačná medzera medzi sonotró­dami a uzemňovacím kontaktom je 2,5 mm. Na sonotródu by ste teda mohli priviesť napätie až 2500 voltov. Štandardné sonotródy sú plné a vyrobené z titánu. Preto prúd prechádzajúci elektródou takmer nie je obmedzený. Titán vykazuje dobrú odolnosť proti korózii v mnohých zásaditých alebo kyslých elektrolytoch. Možné sú aj alternatívne materiály sonotród, napríklad hliník (Al), oceľ (Fe), nehrdzavejúca oceľ, zliatina niklu, chrómu a molybdénu alebo niób. Hielscher ponúka cenovo výhodné sonotródy slúžiace ako obetované anódy, napr. z hliníka alebo ocele.

Ultrazvukový generátor, napájanie

Ultrazvukový generátor nevyžaduje žiadne úpravy a používa štandardnú elektrickú zásuvku s uzemnením. Ultrazvukový nadstavec meniča a všetky vonkajšie povrchy meniča a generátora sú, samozrejme, pripojené k uzemneniu elektrickej zásuvky. Sonotróda a výstužný prvok sú jediné časti pripojené k napätiu elektródy. To uľahčuje návrh zostavy. Sonotródu môžete pripojiť k jednosmernému prúdu (DC), pulzujúcemu jednosmernému prúdu alebo striedavému prúdu (AC). Ultrazvukové elektródy možno prevádzkovať ako anódy alebo katódy.

Výrobné zariadenia na procesy elektrosonikácie

Na prenos ultrazvukového výkonu až 4000 wattov do akejkoľvek štandardnej sonotródy alebo kaskatródy môžete použiť akékoľvek ultrazvukové zariadenie Hielscher, napríklad UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT alebo UIP4000hdT. Plošná intenzita ultrazvuku na povrchu sonotródy môže byť od 1 wattu do 100 wattov na štvorcový centimeter. K dispozícii sú rôzne geometrie sonotród s amplitúdami od 1 mikrometra do 150 mikrometrov (od vrcholu k vrcholu). Ultrazvuková frekvencia 20kHz je veľmi účinná pri vytváraní kavitácie a akustického prúdenia v elektrolyte. Ultrazvukové zariadenia Hielscher môžu pracovať 24 hodín denne, sedem dní v týždni. Môžete ich prevádzkovať nepretržite pri plnom výstupnom výkone alebo v pulznom režime, napr. na pravidelné čistenie elektród. Hielscher Ultrasonics môže dodávať ultrazvukové elektródy s ultrazvukovým výkonom až 16 kilowattov (mechanické rozkmitávanie) na jednu elektródu. Elektrický výkon, ktorý môžete priviesť na elektródy, nemá takmer žiadne obmedzenie.

Ešte jedna vec: Sonoelektrostatické rozprašovanie

Hielscher Ultrasonics vyrába zariadenia na postrekovanie, zahmlievanie, atomizáciu alebo aerosolizáciu kvapalín. Ultrazvuková rozprašovacia sonotróda môže kvapalnej hmle alebo aerosólom udeliť kladný náboj. Tým sa spája ultrazvukové rozprašovanie s technológiou elektrostatického rozprašovania, napr. pri procesoch nanášania povlakov.

Literatúra / Referencie

• 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.