Sono-elektrochémia a jej výhody

Tu nájdete všetko, čo potrebujete vedieť o ultrazvukovej elektrochémii (sonoelektrochémii): princíp činnosti, aplikácie, výhody a sonoelektrochemické zariadenia – Všetky relevantné informácie o sonoelektrochémii na jednej stránke.

Prečo aplikovať ultrazvuk na elektrochémiu?

Kombinácia nízkofrekvenčných ultrazvukových vĺn s vysokou intenzitou s elektrochemickými systémami prináša množstvo výhod, ktoré zlepšujú účinnosť a rýchlosť konverzie elektrochemických reakcií.

Princíp fungovania ultrazvuku

Pre vysokovýkonné ultrazvukové spracovanie sa ultrazvukový generátor generuje vysokointenzívny, nízkofrekvenčný ultrazvuk a prenáša sa cez ultrazvukovú sondu (sonotrodu) do kvapaliny. Vysokovýkonný ultrazvuk sa považuje za ultrazvuk v rozsahu 16-30 kHz. Ultrazvuková sonda sa rozširuje a sťahuje napr. pri 20 kHz, čím prenáša do média 20 000 vibrácií za sekundu. Keď ultrazvukové vlny prechádzajú kvapalinou, striedavé vysokotlakové (kompresné) / nízkotlakové (zriedenie alebo expanzia) cykly vytvárajú nepatrné vákuové bubliny alebo dutiny, ktoré rastú počas niekoľkých tlakových cyklov. Počas kompresnej fázy kvapaliny a bublín je tlak kladný, zatiaľ čo fáza riedenia vytvára vákuum (podtlak). Počas cyklov kompresie a expanzie dutiny v kvapaline rastú, až kým nedosiahnu veľkosť, pri ktorej nemôžu absorbovať viac energie. V tomto bode sa prudko zrútia. Implózia týchto dutín má za následok rôzne vysoko energetické efekty, ktoré sú známe ako fenomén akustickej / ultrazvukovej kavitácie. Akustická kavitácia je charakterizovaná rozmanitými vysokoenergetickými účinkami, ktoré ovplyvňujú kvapaliny, systémy pevná látka/kvapalina, ako aj systémy plyn/kvapalina. Energeticky hustá zóna alebo kavitačná zóna je známa ako takzvaná zóna horúcich bodov, ktorá je energeticky najhustejšia v tesnej blízkosti ultrazvukovej sondy a klesá so zvyšujúcou sa vzdialenosťou od sonotrody. Medzi hlavné charakteristiky ultrazvukovej kavitácie patria lokálne sa vyskytujúce veľmi vysoké teploty a tlaky a príslušné diferenciály, turbulencie a prúdenie kvapaliny. Počas implózie ultrazvukových dutín v ultrazvukových horúcich miestach je možné merať teploty až 5000 Kelvinov, tlaky do 200 atmosfér a kvapalné prúdy s rýchlosťou až 1000 km/h. Tieto vynikajúce energeticky náročné podmienky prispievajú k sonomechanickým a sonochemickým účinkom, ktoré rôznymi spôsobmi zintenzívňujú elektrochemické systémy.

Účinky ultrazvuku na elektrochemické systémy

Aplikácia ultrazvuku na elektrochemické reakcie je známa rôznymi účinkami na elektródy, tj anódu a katódu, ako aj elektrolytický roztok. Ultrazvuková kavitácia a akustické prúdenie vytvárajú významný mikropohyb, ktorý zasahuje prúdy kvapaliny a miešanie do reakčnej tekutiny. Výsledkom je zlepšená hydrodynamika a pohyb zmesi kvapalina/pevná látka. Ultrazvuková kavitácia znižuje efektívnu hrúbku difúznej vrstvy na elektróde. Redukovaná difúzna vrstva znamená, že sonikacia minimalizuje rozdiel v koncentrácii, čo znamená, že konvergencia koncentrácie v blízkosti elektródy a hodnota koncentrácie v objemovom roztoku sú podporované ultrazvukom. Vplyv ultrazvukového miešania na koncentračné gradienty počas reakcie zaisťuje trvalé privádzanie čerstvého roztoku do elektródy a odvádzanie zreagovaného materiálu. To znamená, že sonikácia zlepšila celkovú kinetiku, urýchlila rýchlosť reakcie a zvýšila výťažnosť reakcie.
Zavedením ultrazvukovej energie do systému, ako aj sonochemickou tvorbou voľných radikálov je možné iniciovať elektrochemickú reakciu, ktorá by inak bola elektroneaktívna. 
Ďalším dôležitým účinkom akustických vibrácií a prúdenia je čistiaci účinok na povrchy elektród. Pasivizačné vrstvy a znečistenie elektród obmedzujú účinnosť a reakčnú rýchlosť elektrochemických reakcií. Ultrazvuk udržuje elektródy trvalo čisté a plne aktívne pre reakciu. Ultrazvuk je známy svojimi odplyňujúcimi účinkami, ktoré sú prospešné aj pri elektrochemických reakciách. Odstránením nežiaducich plynov z kvapaliny môže reakcia prebiehať účinnejšie.

Aplikácie sonoelektrochémie

Sonoelektrochémia môže byť aplikovaná na rôzne procesy a v rôznych priemyselných odvetviach. Medzi veľmi bežné aplikácie sonoelektrochémie patria:

• Syntéza nanočastíc (elektrosyntéza)
• Syntéza vodíka
• Elektrokoagulácia
• Čistenie odpadových vôd
• Rozbíjanie emulzií
• Galvanické pokovovanie / elektrolytické nanášanie

Sono-elektrochemická syntéza nanočastíc

Ultrazvuk bol úspešne aplikovaný na syntézu rôznych nanočastíc v elektrochemickom systéme. Magnetit, nanotrubice kadmia-selénu (CdSe), nanočastice platiny (NP), zlaté NP, kovový horčík, bizmutén, nano-striebro, ultrajemná meď, nanočastice zliatiny volfrámu a kobaltu (W–Co), nanokompozit samárie/redukovaného oxidu grafénu, nanočastice medi s poly(kyselinou akrylovou) pod 1 nm a mnoho ďalších práškov nanoveľkosti boli úspešne vyrobené pomocou sonoelektrochémie.
Medzi výhody sonoelektrochemickej syntézy nanočastíc patrí

• vyhýbanie sa redukčným činidlám a povrchovo aktívnym látkam
• Použitie vody ako rozpúšťadla
• úprava veľkosti nanočastíc rôznymi parametrami (ultrazvukový výkon, hustota prúdu, depozičný potenciál a ultrazvukové vs elektrochemické časy impulzov)

Ashasssi-Sorkhabi a Bagheri (2014) syntetizovali polypyrrolové filmy sonoelektrochemicky a porovnali výsledky s elektrocheticky syntetizovanými polypyrrolovými filmami. Výsledky ukazujú, že galvanostatická sonoelektrodepozícia vytvorila silne priľnavý a hladký polypyrrolový (PPy) film na oceli s prúdovou hustotou 4 mA cm–2 v roztoku 0,1 M kyseliny šťaveľovej/0,1 M pyrrólu. Pomocou sonoelektrochemickej polymerizácie získali vysoko odolné a húževnaté PPy filmy s hladkým povrchom. Ukázalo sa, že PPy povlaky pripravené sonoelektrochémiou poskytujú značnú ochranu proti korózii ocele St-12. Syntetizovaný povlak bol rovnomerný a vykazoval vysokú odolnosť proti korózii. Všetky tieto výsledky možno pripísať skutočnosti, že ultrazvuk zvýšil prenos hmoty reaktantov a spôsobil vysoké rýchlosti chemických reakcií prostredníctvom akustické kavitácie a výsledných vysokých teplôt a tlakov. Platnosť impedančných údajov pre rozhranie oceľ/dva PPy povlaky/korozívne médium bola skontrolovaná pomocou transformácií KK a boli pozorované nízke priemerné chyby.

Hass a Gedanken (2008) informovali o úspešnej sonoelektrochemickej syntéze nanočastíc kovového horčíka. Účinnosť v sonoelektrochemickom procese Gringardovho činidla v tetrahydrofuráne (THF) alebo v roztoku dibutyldiglymu bola 41,35 % a 33,08 %. Pridanie AlCl3 do Gringardovho roztoku dramaticky zvýšilo účinnosť a zvýšilo ju na 82,70 % a 51,69 % v THF alebo dibutyldiglyme.

Sono-elektrochemická výroba vodíka

Ultrazvukom podporovaná elektrolýza výrazne zvyšuje výťažok vodíka z vody alebo alkalických roztokov. Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovo zrýchlenej elektrolytickej syntéze vodíka!

Ultrazvukom asistovaná elektrokoagulácia

Aplikácia nízkofrekvenčného ultrazvuku na elektrokoagulkačné systémy je známa ako sono-elektrokoagulácia. Štúdie ukazujú, že sonikácia pozitívne ovplyvňuje elektrokoaguláciu, čo vedie napr. k vyššej účinnosti odstraňovania hydroxidov železa z odpadových vôd. Pozitívny vplyv ultrazvuku na elektrokoaguláciu sa vysvetľuje znížením pasivácie elektród. Nízkofrekvenčný ultrazvuk s vysokou intenzitou ničí nanesenú pevnú vrstvu a účinne ju odstraňuje, čím udržuje elektródy nepretržite plne aktívne. Okrem toho ultrazvuk aktivuje oba typy iónov, t. j. katióny a anióny, prítomné v reakčnej zóne elektród. Ultrazvukové miešanie má za následok vysoký mikropohyb roztoku, ktorý privádza a odvádza suroviny a produkt do a z elektród.
Príkladmi úspešných sono-elektrokoagulačných procesov sú redukcia Cr(VI) na Cr(III) vo farmaceutických odpadových vodách, odstránenie celkového fosforu z odpadových vôd jemného chemického priemyslu s účinnosťou odstraňovania fosforu bolo 99,5% do 10 min., odstránenie farby a CHSK z odpadových vôd celulózového a papierenského priemyslu atď. Hlásená účinnosť odstraňovania farby, CHSK, Cr(VI), Cu(II) a P bola 100 %, 95 %, 100 %, 97,3 % a 99,84 %. (porovnaj Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-elektrochemická degradácia znečisťujúcich látok

Ultrazvukom podporované elektrochemické oxidačné a/alebo redukčné reakcie sa používajú ako účinná metóda na degradáciu chemických znečisťujúcich látok. Sonomechanické a sonochemické mechanizmy podporujú elektrochemickú degradáciu znečisťujúcich látok. Ultrazvukom generovaná kavitácia má za následok intenzívne miešanie, mikromiešanie, prenos hmoty a odstránenie pasivačných vrstiev z elektród. Tieto kavitačné účinky majú za následok najmä zvýšenie prenosu hmoty medzi tuhou látkou a kvapalinou medzi elektródami a roztokom. Sonochemické účinky priamo ovplyvňujú molekuly. Homolytické štiepenie molekúl vytvára vysoko reaktívne oxidanty. Vo vodnom prostredí a v prítomnosti kyslíka vznikajú radikály ako HO•, HO2• a O•. •Je známe, že OH radikály sú dôležité pre efektívny rozklad organických materiálov. Celkovo sonoelektrochemická degradácia vykazuje vysokú účinnosť a je vhodná na čistenie veľkých objemov tokov odpadových vôd a iných znečistených kvapalín.
Napríklad Lllanos et al. (2016) zistili, že pri dezinfekcii vody sa dosiahol významný synergický účinok, keď bol elektrochemický systém zosilnený sonikáciou (sono-elektrochemická dezinfekcia). Zistilo sa, že toto zvýšenie rýchlosti dezinfekcie súvisí s potlačením aggolomerátov buniek E. coli, ako aj so zvýšenou produkciou dezinfekčných druhov. 
Esclapez et al. (2010) ukázali, že počas zvyšovania degradácie kyseliny trichlóroctovej (TCAA) bol použitý špeciálne navrhnutý sonoelektrochemický reaktor (aj keď nie optimalizovaný), prítomnosť ultrazvukového poľa generovaného pomocou UIP1000hd poskytla lepšie výsledky (frakčná konverzia 97%, účinnosť degradácie 26%, selektivita 0,92 a účinnosť prúdu 8%) pri nižších ultrazvukových intenzitách a objemovom prietoku. Vzhľadom na skutočnosť, že predpilotný sonoelektrochemický reaktor ešte nebol optimalizovaný, je veľmi pravdepodobné, že tieto výsledky sa dajú ešte zlepšiť.

Ultrazvuková voltametria a elektrolytické nanášanie

Elektrolytické nanášanie sa uskutočňovalo galvanostaticky pri prúdovej hustote 15 mA/cm2. Roztoky boli pred elektrolytickým nanášaním podrobené ultrazvuku po dobu 5–60 minút. A Hielscher Ultrazvukový prístroj sondového typu UP200S sa použil v čase cyklu 0,5. Ultrazvuk sa dosiahol priamym ponorením ultrazvukovej sondy do roztoku. Na vyhodnotenie ultrazvukového vplyvu na roztok pred elektrolytickým nanášaním bola použitá cyklická voltametria (CV) na odhalenie správania roztoku a umožňuje predpovedať ideálne podmienky pre elektrolytické nanášanie. Pozoruje sa, že keď je roztok pred elektrolytickým nanášaním vystavený ultrazvuku, nanášanie začína pri menej záporných hodnotách potenciálu. To znamená, že pri rovnakom prúde v roztoku je potrebný menší potenciál, pretože druhy v roztoku sa správajú aktívnejšie ako v neultrazvukových. (porovnaj Yurdal & Karahan 2017)

Vysokovýkonné elektrochemické sondy a SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics je váš dlhoročný skúsený partner pre vysokovýkonné ultrazvukové systémy. Vyrábame a distribuujeme najmodernejšie ultrazvukové sondy a reaktory, ktoré sa používajú po celom svete pre náročné aplikácie v náročných prostrediach. Pre sonoelektrochémiu vyvinul Hielscher špeciálne ultrazvukové sondy, ktoré môžu pôsobiť ako katóda a/alebo anóda, ako aj ultrazvukové reaktorové články vhodné pre elektrochemické reakcie. Ultrazvukové elektródy a články sú k dispozícii pre galvanické / voltaické aj elektrolytické systémy.

Presne regulovateľné amplitúdy pre optimálne výsledky

Všetky ultrazvukové procesory Hielscher sú presne ovládateľné, a tým aj spoľahlivé pracovné kone v R&D a výroba. Amplitúda je jedným z kľúčových procesných parametrov, ktoré ovplyvňujú účinnosť a účinnosť sonochemicky a sonomechanicky indukovaných reakcií. Všetky ultrazvuky Hielscher’ Procesory umožňujú presné nastavenie amplitúdy. Priemyselné ultrazvukové procesory spoločnosti Hielscher môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy a dodávať požadovanú intenzitu ultrazvuku pre náročné sono-elektrochamické aplikácie. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni.
Presné nastavenie amplitúdy a trvalé monitorovanie parametrov ultrazvukového procesu pomocou inteligentného softvéru vám dávajú možnosť presne ovplyvniť sonoelektrochemickú reakciu. Počas každého sonikácie sa všetky ultrazvukové parametre automaticky zaznamenávajú na vstavanú SD kartu, takže každý beh je možné vyhodnotiť a kontrolovať. Optimálna sonikácia pre najúčinnejšie sonoelektrochemické reakcie!
Všetky zariadenia sú skonštruované na použitie 24/7/365 pri plnom zaťažení a jeho robustnosť a spoľahlivosť z neho robia ťažného koňa vo vašom elektrochemickom procese. Vďaka tomu je ultrazvukové zariadenie Hielscher spoľahlivým pracovným nástrojom, ktorý spĺňa vaše požiadavky na sonoelektrochemický proces.

Najvyššia kvalita – Navrhnuté a vyrobené v Nemecku

Ako rodinný a rodinný podnik uprednostňuje spoločnosť Hielscher pre svoje ultrazvukové procesory najvyššie štandardy kvality. Všetky ultrazvukové prístroje sú navrhnuté, vyrobené a dôkladne testované v našej centrále v Teltowe neďaleko Berlína v Nemecku. Robustnosť a spoľahlivosť ultrazvukového zariadenia Hielscher z neho robí ťažného koňa vo vašej výrobe. Prevádzka 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri plnom zaťažení a v náročných prostrediach je prirodzenou charakteristikou vysokovýkonných ultrazvukových sond a reaktorov spoločnosti Hielscher.

Kontaktujte nás teraz a povedzte nám o svojich požiadavkách na elektrochemické procesy! Odporučíme vám najvhodnejšie ultrazvukové elektródy a nastavenie reaktora!