Sonoelektrochémia a jej výhody

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

Prečo používať ultrazvuk v elektrochémii?

Kombinácia nízkofrekvenčných ultrazvukových vĺn s vysokou intenzitou a elektrochemických systémov prináša mnohoraké výhody, ktoré zlepšujú účinnosť a mieru konverzie elektrochemických reakcií.

Princíp fungovania ultrazvuku

Pri vysokovýkonnom ultrazvukovom spracovaní generuje ultrazvukový generátor nízkofrekvenčný ultrazvuk s vysokou intenzitou, ktorý sa prenáša do kvapaliny prostredníctvom ultrazvukovej sondy (sonotródy). Za vysokovýkonný ultrazvuk sa považuje ultrazvuk v rozsahu 16–30kHz. Ultrazvuková sonda sa rozpína a zmršťuje napr. pri frekvencii 20kHz, čím prenáša do média zodpovedajúcich 20 000 kmitov za sekundu. Keď ultrazvukové vlny prechádzajú kvapalinou, striedajúce sa cykly vysokého tlaku (kompresie) / nízkeho tlaku (zriedenia alebo expanzie) vytvárajú drobné vákuové bubliny alebo dutiny, ktoré počas viacerých tlakových cyklov rastú. Počas fázy kompresie kvapaliny a bublín je tlak kladný, zatiaľ čo fáza zriedenia vytvára vákuum (záporný tlak). Počas cyklov kompresie a expanzie dutiny v kvapaline rastú, až kým nedosiahnu veľkosť, pri ktorej už nedokážu absorbovať viac energie. V tomto okamihu prudko implodujú. Implózia týchto dutín vyvoláva rôzne vysokoenergetické účinky, ktoré sú známe ako jav akustickej / ultrazvukovej kavitácie. Akustická kavitácia sa vyznačuje mnohorakými vysokoenergetickými účinkami, ktoré pôsobia na kvapaliny, systémy tuhá látka/kvapalina aj systémy plyn/kvapalina. Zóna s vysokou hustotou energie alebo kavitačná zóna je známa ako takzvaná zóna horúcich miest, v ktorej je hustota energie najvyššia v tesnej blízkosti ultrazvukovej sondy a so zväčšujúcou sa vzdialenosťou od sonotródy klesá. Medzi hlavné charakteristiky ultrazvukovej kavitácie patria lokálne sa vyskytujúce veľmi vysoké teploty a tlaky a ich príslušné rozdiely, turbulencie a prúdenie kvapaliny. Počas implózie ultrazvukových dutín v ultrazvukových horúcich miestach možno namerať teploty až 5000 kelvinov, tlaky až 200 atmosfér a rýchlosti kvapalinových prúdov až 1000km/h. Tieto mimoriadne energeticky intenzívne podmienky prispievajú k sonomechanickým a sonochemickým účinkom, ktoré rôznymi spôsobmi zintenzívňujú elektrochemické systémy.

Účinky ultrazvuku na elektrochemické systémy

Pôsobenie ultrazvuku pri elektrochemických reakciách je známe rôznymi účinkami na elektródy, t. j. anódu a katódu, ako aj na roztok elektrolytu. Ultrazvuková kavitácia a akustické prúdenie vytvárajú v reakčnej kvapaline výrazný mikropohyb, dopadajúce prúdy kvapaliny a premiešavanie. Výsledkom je zlepšená hydrodynamika a pohyb zmesi kvapaliny a tuhej látky. Ultrazvuková kavitácia znižuje efektívnu hrúbku difúznej vrstvy pri elektróde. Zmenšená difúzna vrstva znamená, že sonikácia minimalizuje rozdiel v koncentráciách, teda ultrazvuk podporuje vyrovnávanie koncentrácie v blízkosti elektródy s koncentráciou v objeme roztoku. Vplyv ultrazvukového premiešavania na koncentračné gradienty počas reakcie zabezpečuje nepretržité privádzanie čerstvého roztoku k elektróde a odvádzanie zreagovaného materiálu. To znamená, že sonikácia zlepšuje celkovú kinetiku, urýchľuje reakciu a zvyšuje reakčný výťažok.
Vnášaním ultrazvukovej energie do systému, ako aj sonochemickou tvorbou voľných radikálov možno iniciovať elektrochemickú reakciu, ktorá by inak bola elektroinaktívna. 
Ďalším dôležitým účinkom akustického kmitania a prúdenia je čistenie povrchov elektród. Pasivačné vrstvy a usadeniny na elektródach obmedzujú účinnosť a rýchlosť elektrochemických reakcií. Pôsobenie ultrazvuku udržiava elektródy neustále čisté a plne aktívne pre reakciu.
Pôsobenie ultrazvuku je dobre známe svojimi odplyňovacími účinkami, ktoré sú prospešné aj pri elektrochemických reakciách. Po odstránení nežiaducich plynov z kvapaliny môže reakcia prebiehať účinnejšie.

Aplikácie sonoelektrochémie

Sonoelektrochémiu možno uplatniť v rôznych procesoch a v rôznych priemyselných odvetviach. Medzi veľmi bežné aplikácie sonoelektrochémie patria:

• Syntéza nanočastíc (elektrosyntéza)
• Syntéza vodíka
• Elektrokoagulácia
• Čistenie odpadových vôd
• Rozrušovanie emulzií
• Galvanické pokovovanie / Elektrodepozícia
• Ohmický ohrev

Sonoelektrochemická syntéza nanočastíc

Ultrazvuk sa úspešne použil na syntézu rôznych nanočastíc v elektrochemickom systéme. Pomocou sonoelektrochémie sa úspešne vyrobili magnetit, nanorúrky selenidu kademnatého (CdSe), nanočastice platiny (NPs), NPs zlata, kovový horčík, bizmutén, nanostriebro, ultrajemná meď, nanočastice zliatiny volfrámu a kobaltu (W–Co), nanokompozit oxidu samaritého a redukovaného oxidu grafénu, nanočastice medi menšie ako 1nm pokryté kyselinou polyakrylovou a mnohé ďalšie prášky s časticami nanometrových rozmerov.
Medzi výhody sonoelektrochemickej syntézy nanočastíc patria

• vylúčenie použitia redukčných činidiel a povrchovo aktívnych látok
• použitie vody ako rozpúšťadla
• úprava veľkosti nanočastíc zmenou parametrov (ultrazvukový výkon, prúdová hustota, depozičný potenciál a trvanie ultrazvukových impulzov v porovnaní s elektrochemickými impulzmi)

Ashasssi-Sorkhabi a Bagheri (2014) syntetizovali polypyrolové filmy sonoelektrochemicky a porovnali výsledky s elektrochemicky syntetizovanými polypyrolovými filmami. Výsledky ukazujú, že galvanostatickou sonoelektrodepozíciou sa na oceli vytvoril silne priľnavý a hladký polypyrolový (PPy) film pri prúdovej hustote 4 mA cm–2 v roztoku 0,1 M kyseliny šťaveľovej/0,1 M pyrolu. Pomocou sonoelektrochemickej polymerizácie získali vysoko odolné a húževnaté PPy filmy s hladkým povrchom. Preukázalo sa, že PPy povlaky pripravené sonoelektrochemicky poskytujú oceli St-12 významnú ochranu proti korózii. Syntetizovaný povlak bol rovnomerný a vykazoval vysokú odolnosť proti korózii. Všetky tieto výsledky možno pripísať skutočnosti, že ultrazvuk zlepšil prenos hmoty reaktantov a prostredníctvom akustickej kavitácie a z nej vyplývajúcich vysokých teplôt a tlakov spôsobil vysoké rýchlosti chemických reakcií. Platnosť impedančných údajov pre rozhranie oceľ St-12/dva PPy povlaky/korozívne médiá sa overila pomocou KK transformácií, pričom sa pozorovali nízke priemerné chyby.

Hass a Gedanken (2008) uviedli úspešnú sonoelektrochemickú syntézu nanočastíc kovového horčíka. Účinnosti sonоelektrochemického procesu s Gringardovým činidlom v tetrahydrofuráne (THF) alebo v roztoku dibutyldiglymu boli 41,35%, resp. 33,08%. Pridanie AlCl3 do Gringardovho roztoku dramaticky zvýšilo účinnosť, a to na 82,70% v THF, resp. na 51,69% v dibutyldiglyme.

Sonoelektrochemická výroba vodíka

Elektrolýza podporovaná ultrazvukom výrazne zvyšuje výťažok vodíka z vody alebo alkalických roztokov. Kliknite sem a prečítajte si viac o elektrolytickej syntéze vodíka urýchľovanej ultrazvukom!

Elektrokoagulácia podporovaná ultrazvukom

Použitie nízkofrekvenčného ultrazvuku v elektrokoagulačných systémoch je známe ako sonoelektrokoagulácia. 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 narúša usadenú pevnú vrstvu a účinne ju odstraňuje, čím udržiava elektródy nepretržite plne aktívne. Ultrazvuk navyše aktivuje oba typy iónov, teda katióny aj anióny, prítomné v reakčnej zóne elektród. Ultrazvukové premiešavanie vedie k intenzívnemu mikropohybu roztoku, ktorý privádza surovinu k elektródam a odvádza produkt od elektród.
Príkladmi úspešných sonoelektrokoagulačných procesov sú redukcia Cr(VI) na Cr(III) vo farmaceutických odpadových vodách, odstraňovanie celkového fosforu z odpadových vôd z výroby jemných chemikálií s účinnosťou odstraňovania fosforu 99,5% v priebehu 10 min., odstraňovanie sfarbenia a COD z odpadových vôd celulózového a papierenského priemyslu atď. Uvádzané účinnosti odstraňovania sfarbenia, COD, Cr(VI), Cu(II) a P boli 100%, 95%, 100%, 97,3%, resp. 99,84%. (porov. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sonoelektrochemická degradácia znečisťujúcich látok

Elektrochemické oxidačné a/alebo redukčné reakcie podporované ultrazvukom sa využívajú ako účinná metóda rozkladu chemických znečisťujúcich látok. Sonomechanické a sonochemické mechanizmy podporujú elektrochemický rozklad znečisťujúcich látok. Kavitácia vytváraná ultrazvukom vedie k intenzívnemu premiešavaniu, mikromiešaniu, prenosu hmoty a odstraňovaniu pasivačných vrstiev z elektród. Tieto kavitačné účinky vedú predovšetkým k zintenzívneniu prenosu hmoty medzi pevnou a kvapalnou fázou, teda medzi elektródami a roztokom. Sonochemické účinky priamo ovplyvňujú molekuly. Homolytickým štiepením molekúl vznikajú vysoko reaktívne oxidanty. Vo vodnom prostredí a za prítomnosti kyslíka vznikajú radikály, ako sú HO•, HO2• a O•. Je známe, že radikály •OH sú dôležité pre účinný rozklad organických materiálov. Sonоelektrochemický rozklad celkovo vykazuje vysokú účinnosť a je vhodný na spracovanie veľkých objemov prúdov odpadových vôd a iných znečistených kvapalín.
Napríklad Lllanos a kol. (2016) zistili, že pri dezinfekcii vody sa dosiahli významné synergické účinky, keď sa elektrochemický systém zintenzívnil sonikáciou (sonoelektrochemická dezinfekcia). Zistilo sa, že toto zvýšenie rýchlosti dezinfekcie súviselo s potlačením tvorby aglomerátov buniek E. coli, ako aj so zvýšenou tvorbou dezinfekčných častíc. Esclapez a kol. (2010) ukázali, že pri zväčšovaní mierky procesu rozkladu kyseliny trichlóroctovej (TCAA), pri ktorom sa použil špeciálne navrhnutý sonoelektrochemický reaktor (ktorý však nebol optimalizovaný), poskytla prítomnosť ultrazvukového poľa generovaného pomocou UIP1000hd lepšie výsledky (stupeň konverzie 97%, účinnosť rozkladu 26%, selektivita 0,92 a prúdová účinnosť 8%) pri nižších intenzitách ultrazvuku a nižšom objemovom prietoku. Vzhľadom na skutočnosť, že predpoloprevádzkový sonoelektrochemický reaktor ešte nebol optimalizovaný, je veľmi pravdepodobné, že tieto výsledky možno ešte ďalej zlepšiť.

Ultrazvuková voltametria a elektrolytické vylučovanie

Elektrolytické vylučovanie sa uskutočňovalo galvanostaticky pri prúdovej hustote 15 mA/cm2. Roztoky sa pred elektrolytickým vylučovaním podrobili pôsobeniu ultrazvuku počas 5–60 minút. Ultrazvukový prístroj Hielscher UP200S sondového typu sa používal s dobou cyklu 0,5. Pôsobenie ultrazvuku sa dosiahlo priamym ponorením ultrazvukovej sondy do roztoku. Na vyhodnotenie vplyvu ultrazvuku na roztok pred elektrolytickým vylučovaním sa použila cyklická voltametria (CV), ktorá umožňuje odhaliť správanie roztoku a predpovedať ideálne podmienky elektrolytického vylučovania. Pozoruje sa, že keď sa roztok pred elektrolytickým vylučovaním podrobí pôsobeniu ultrazvuku, vylučovanie sa začína pri menej záporných hodnotách potenciálu. To znamená, že pri rovnakom prúde v roztoku je potrebný nižší potenciál, pretože častice v roztoku sa správajú aktívnejšie ako v roztokoch, ktoré neboli vystavené ultrazvuku. (porov. Yurdal & Karahan 2017)
Prečítajte si viac o sonoelektrochemickom vylučovaní povlakov vylepšených nanomateriálmi!

Vysokovýkonné elektrochemické sondy a SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics je váš partner s dlhoročnými skúsenosťami v oblasti vysokovýkonných ultrazvukových systémov. Vyrábame a distribuujeme najmodernejšie ultrazvukové sondy a reaktory, ktoré sa používajú na celom svete pri náročných aplikáciách v náročných prostrediach. Pre sonoelektrochémiu spoločnosť Hielscher vyvinula špeciálne ultrazvukové sondy, ktoré môžu slúžiť ako katóda a/alebo anóda, ako aj ultrazvukové reaktorové cely vhodné na elektrochemické reakcie. Ultrazvukové elektródy a cely sú k dispozícii pre galvanické / voltaické aj elektrolytické systémy.

Presne regulovateľné amplitúdy pre optimálne výsledky

Všetky ultrazvukové procesory Hielscher sú presne regulovateľné, a preto predstavujú spoľahlivé pracovné nástroje vo výskume, vývoji a výrobe. Amplitúda je jedným z kľúčových procesných parametrov, ktoré ovplyvňujú účinnosť a efektívnosť sonochemicky a sonomechanicky vyvolaných reakcií. Všetky procesory Hielscher Ultrasonics umožňujú presné nastavenie amplitúdy. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy a poskytovať požadovanú intenzitu ultrazvuku pre náročné sonoelektrochemické aplikácie. Pri amplitúdach až do 200µm možno bez problémov nepretržite pracovať v režime 24/7.
Presné nastavenie amplitúdy a neustále monitorovanie parametrov ultrazvukového procesu pomocou inteligentného softvéru vám umožňujú presne ovplyvňovať sonoelektrochemickú reakciu. Počas každého cyklu sonikácie sa všetky ultrazvukové parametre automaticky zaznamenávajú na vstavanú SD kartu, takže každý cyklus možno vyhodnotiť a kontrolovať. Optimálna sonikácia pre najúčinnejšie sonoelektrochemické reakcie!
Všetky zariadenia sú skonštruované na prevádzku 24/7/365 pri plnom zaťažení a vďaka svojej robustnosti a spoľahlivosti predstavujú spoľahlivé pracovné nástroje vo vašom elektrochemickom procese. Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú tak spoľahlivými pracovnými nástrojmi, ktoré spĺňajú požiadavky vášho sonoelektrochemického procesu.

Najvyššia kvalita – navrhnuté a vyrobené v Nemecku

Ako rodinný podnik vlastnený a riadený rodinou kladie Hielscher pri svojich ultrazvukových procesoroch dôraz na najvyššie štandardy kvality. Všetky ultrazvukové zariadenia sa navrhujú, vyrábajú a dôkladne testujú v našom sídle v meste Teltow pri Berlíne v Nemecku. Robustnosť a spoľahlivosť ultrazvukových zariadení Hielscher z nich robia spoľahlivé pracovné nástroje vo vašej výrobe. Prevádzka 24/7 pri plnom zaťažení a v náročných prostrediach je prirodzenou vlastnosťou vysokovýkonných ultrazvukových sond a reaktorov Hielscher.

Kontaktujte nás teraz a povedzte nám o požiadavkách vášho elektrochemického procesu! Odporučíme vám najvhodnejšie ultrazvukové elektródy a usporiadanie reaktora!