Sonoelektrochemická zostava – ultrazvuk s výkonom 2000 wattov

Sonoelektrochémia spája výhody elektrochémie so sonochémiou. Najväčšou výhodou týchto techník je ich jednoduchosť, nízke náklady, reprodukovateľnosť a škálovateľnosť. Hielscher Ultrasonics ponúka kompletnú sonоelektrochemickú zostavu na vsádzkové aj prietokové použitie. Pozostáva z:

• pokročilého ultrazvukového generátora (2000 wattov) s automatickým ladením, riadením amplitúdy a sofistikovaným zaznamenávaním údajov,
• výkonného meniča s ultrazvukovým vlnovodom (priemyselné vyhotovenie, 2000 wattov, 20kHz),
• elektrického izolátora, ktorý neznižuje ultrazvukové vibrácie
• ultrazvukových amplitúdových transformátorov na zvýšenie alebo zníženie amplitúdy
• rôznych konštrukčných vyhotovení sonotródy (Sonotróda je elektródou. Katódou alebo anódou.)
• reaktora s prietokovou celou s vymeniteľnými stenami cely (hliník, nehrdzavejúca oceľ, oceľ, meď, …)

Nemusíte strácať čas vývojom vlastnej zostavy len preto, aby ste mohli kombinovať ultrazvuk s elektrochémiou. Nemusíte vykonávať elektrické úpravy štandardného ultrazvukového zariadenia. Zaobstarajte si túto priemyselnú sonоelektrochemickú zostavu a sústreďte svoje úsilie a čas na chemický výskum a optimalizáciu procesov!

Sonоelektrochemická zostava pripravená na použitie

Hielscher Ultrasonics ponúka sonоelektrochemickú zostavu s jednoduchou obsluhou a prispôsobiteľnou, flexibilnou konfiguráciou. Táto zostava je vhodná na všeobecný výskum a vývoj a optimalizáciu procesov, ako aj na výrobu v strednom meradle. Sonotródu zariadenia UIP2000hdT (2000 wattov, 20kHz) možno použiť ako elektródu vo vsádzkovej zostave alebo v prietokovom usporiadaní s prietokovou celou. Má jedinečnú konštrukciu elektrickej izolácie. Úprava meniča na sonоelektrochemické použitie neznižuje ultrazvukový výkon.
Štandardná sonotróda/elektróda je vyrobená z titánu triedy 5 a je navrhnutá tak, aby optimalizovala rovnomernosť ultrazvukovej intenzity pozdĺž svojho bočného povrchu. K dispozícii sú aj iné konštrukčné vyhotovenia a iné materiály, napríklad hliník, oceľ alebo nehrdzavejúca oceľ. Špeciálny reaktor s prietokovou celou v tomto vyhotovení má hliníkové teleso, ktoré je elektricky izolované plastovými prípojkami na oboch koncoch. Hliníkový profil možno použiť ako nízkonákladovú obetovanú elektródu a možno ho ľahko nahradiť inými materiálmi, napríklad oceľou, nehrdzavejúcou oceľou alebo meďou. K dispozícii sú aj iné priemery alebo konštrukčné vyhotovenia cely. Cela na výkrese má medzi ultrazvukovou elektródou a telesom cely medzeru približne 2–4 mm. Ultrazvukové vlny preto spôsobujú akustické prúdenie a kavitáciu aj na telese cely. Všetky štandardné súčasti tohto vyhotovenia sú k dispozícii v našich skladoch v Nemecku a USA. Tú istú zostavu môžete, samozrejme, použiť aj na všetky ostatné neelektrické ultrazvukové a sonochemické procesy. Táto zostava funguje aj pri procesoch podporovaných ultrazvukom s vysokými elektrickými impulzmi (HEP).

Pokročilé komponenty v priemyselnom vyhotovení

Mnohí zákazníci používajú UIP2000hdT na prechod od skúšok na laboratórnom stole k výrobe. Všetky prístroje Hielscher sú skonštruované na nepretržitú prevádzku – 24h/7d/365d. UIP2000hdT je vybavený dotykovou obrazovkou, ethernetovým rozhraním, nepretržitým zaznamenávaním údajov 24/7 vo formáte CSV kompatibilnom s programom Excel na kartu SD a termočlánkom na monitorovanie teploty. UIP2000hdT môžete ovládať prostredníctvom svojho prehliadača. K dispozícii je digitálny snímač tlaku, ktorý sa pripája k UIP2000hdT. UIP2000hdT vám môže zobraziť skutočný čistý výstupný výkon na elektróde. Ide o čistý mechanický ultrazvukový výkon v kvapaline. To vám umožňuje monitorovať a overovať každú sekundu sonikácie, napríklad na účely riadenia alebo optimalizácie procesu. Ultrazvukové zariadenia Hielscher poskytujú veľmi dobre reprodukovateľné a opakovateľné výsledky. Svoje výsledky môžete lineárne preniesť do výrobného meradla. Technický tím Hielscher vás, samozrejme, podporí pri príprave vhodných experimentov a Hielscher bude s vami spolupracovať na tom, aby váš proces fungoval.

Táto sonоelektrochemická zostava ponecháva len málo nesplnených želaní. Jediné, čo ešte môže chýbať, je druhý UIP2000hdT ako druhá elektróda.

Ak ste v tomto odvetví chémie nováčikom, nižšie nájdete ďalšie informácie o sonochémii, elektrochémii a sonоelektrochémii.

Sonochémia + elektrochémia = sonоelektrochémia

Sonоelektrochémia je kombináciou elektrochémie a sonochémie.

Elektrochémia

Elektrochémia pridáva do fyzikálnej chémie elektrinu. Je to pokročilý spôsob aktivácie činidiel alebo reaktantov prenosom elektrónov. Umožňuje cielené, selektívne chemické premeny. Elektrochémia je povrchový jav.

Sonochémia

Sonochémia vnáša do chemických reakcií akustické a kavitačné prúdenie a aktivačnú energiu. Najdôležitejším mechanizmom v sonochémii je kavitácia. Kolaps kavitačných bublín v ultrazvukovom poli vytvára lokálne horúce miesta s extrémnymi podmienkami, ako sú teploty vyššie ako 5000 kelvinov, tlaky až 1000 atmosfér a prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 1000 kilometrov za hodinu. To zlepšuje elektrochemické reakcie na povrchu elektród.
Prečítajte si viac o sonochémii!

Sonоelektrochémia

Sonоelektrochémia spája obe vyššie uvedené techniky aplikáciou ultrazvuku na elektrochemickú zostavu. Ultrazvuk ovplyvňuje dôležité elektrochemické parametre a účinnosť chemických procesov. Prítomnosť ultrazvuku výrazne zlepšuje elektrochemický roztok alebo hydrodynamiku elektroanalytu v elektrochemickej cele. Spojenie elektródy s ultrazvukovým vlnovodom má pozitívne účinky na aktivitu povrchu elektródy a koncentračný profil zložiek elektroanalytu v celej cele. Sonomechanické účinky zlepšujú transport hmoty elektrochemických zložiek z objemu roztoku k elektroaktívnemu povrchu. Ultrazvuková elektróda znižuje hrúbku difúznej vrstvy na povrchu elektródy, zvyšuje hrúbku elektrolyticky nanesenej vrstvy/galvanického povlaku, zvyšuje rýchlosti elektrochemických reakcií, výťažky a účinnosti, zvyšuje pórovitosť a tvrdosť elektrolyticky nanesenej vrstvy, zlepšuje odstraňovanie plynov z elektrochemických roztokov; čistí a reaktivuje povrch elektródy, znižuje prepätia elektródy depasiváciou kovu a odstraňovaním plynových bublín z povrchu elektródy (vyvolanými kavitáciou a akustickým prúdením) a potláča zanášanie elektródy. Medzi aplikácie sonоelektrochémie patria elektropolymerizácia, elektrokoagulácia, organická elektrosyntéza, elektrochémia materiálov, environmentálna elektrochémia, elektroanalytická chémia, výroba vodíka a elektrolytické nanášanie.

Sonоelektrochémia v aplikáciách prietokovej chémie

Ak vykonávate sonоelektrochemické procesy v prietokovej zostave, môžete upravovať čas zotrvania sonоelektrochemických reakcií zmenou prietoku. Na opakované pôsobenie môžete použiť recirkuláciu alebo materiál prečerpať cez celu jednorazovo. Recirkulácia môže byť výhodná na reguláciu teploty, napríklad prúdením cez výmenník tepla na chladenie alebo ohrev.
Ak na výstupe z reaktora so sonоelektrochemickou celou použijete protitlakový ventil, môžete zvýšiť tlak vo vnútri cely. Tlak vo vnútri cely je veľmi dôležitým parametrom na zintenzívnenie sonikácie a ovplyvnenie tvorby plynných fáz. Je dôležitý aj pri práci s reaktantmi alebo produktmi s nízkym bodom varu.
Prevádzka v prietokovom režime umožňuje nepretržitú prevádzku, a tým aj výrobu väčších objemov.
Ak materiál prúdi medzi dvoma elektródami, napríklad medzi sonotródou a stenou cely, môžete zmenšiť vzdialenosť medzi elektródami. To umožňuje lepšie riadenie počtu prenesených elektrónov a lepšiu selektivitu reakcie. Môže to zlepšiť presnosť, distribúciu a výťažok produktu.
Vo všeobecnosti môžu byť sonоelektrochemické reakcie v usporiadaní s reaktorom s prietokovou celou oveľa rýchlejšie ako analogická reakcia vo vsádzkovom procese. Reakcie, ktoré môžu trvať až niekoľko hodín, možno dokončiť za niekoľko minút, pričom vznikne lepší produkt.

Literatúra / referencie

• 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.