Elektrosonikacija – ultrazvočne elektrode

Elektrosonikacija je kombinacija učinkov elektrike in učinkov sonikacije. Hielscher Ultrasonics je razvil novo in elegantno metodo za uporabo katere koli sonotrode kot elektrode. S tem se moč ultrazvoka prenese neposredno na stik med ultrazvočno elektrodo in tekočino. Tam lahko spodbuja elektrolizo, izboljša prenos snovi ter razbije mejne plasti ali obloge. Hielscher dobavlja opremo za proizvodno uporabo pri procesih elektrosonikacije v šaržnih in pretočnih postopkih v katerem koli merilu. Elektrosonikacijo lahko kombinirate z manosonikacijo (tlak) in termosonikacijo (temperatura).

Uporaba ultrazvočnih elektrod

Uporaba ultrazvoka na elektrodah je nova tehnologija, ki prinaša koristi številnim različnim procesom pri elektrolizi, galvanizaciji, elektroč iščenju, pridobivanju vodika in elektrokoagulaciji, sintezi delcev ali drugih elektrokemijskih reakcijah. Hielscher Ultrasonics ima ultrazvočne elektrode, ki so takoj na voljo za raziskave in razvoj pri elektrolizi v laboratorijskem ali pilotnem merilu. Ko preizkusite in optimizirate svoj elektrolitski proces, lahko z ultrazvočno opremo Hielscher Ultrasonics proizvodne velikosti rezultate svojega procesa prenesete na raven industrijske proizvodnje. V nadaljevanju boste našli predloge in priporočila za uporabo ultrazvočnih elektrod.

Sonoelektroliza (ultrazvočna elektroliza)

Elektroliza je pretvorba atomov in ionov z odvzemanjem ali dodajanjem elektronov zaradi delovanja električnega toka. Produkti elektrolize so lahko v drugačnem agregatnem stanju kot elektrolit. Z elektrolizo lahko nastanejo trdne snovi, kot so oborine ali trdne plasti na kateri koli od elektrod. Lahko pa z elektrolizo nastanejo plini, kot so vodik, klor ali kisik. Ultrazvočno nihanje elektrode lahko odstrani trdne obloge s površine elektrode. Ultrazvočno razplinjevanje hitro ustvari večje plinske mehurčke iz raztopljenih plinov mikromehurčkov. To omogoča hitrejše ločevanje plinastih produktov od elektrolita.

Ultrazvočna naprava UIP2000hdT (2000 vatov, 20kHz) kot katoda in/ali anoda v elektrolitski celici

Ultrazvočno izboljšan prenos snovi na površini elektrode

Med elektrolizo se produkti kopičijo v bližini elektrod ali na površini elektrode. Ultrazvočno mešanje je zelo učinkovito sredstvo za povečanje prenosa snovi v mejnih plasteh. Ta učinek omogoča stik svežega elektrolita s površino elektrode. Kavitacijsko strujanje odnaša produkte elektrolize, kot so plini ali trdne snovi, s površine elektrode. S tem se prepreči nastajanje izolacijskih plasti, ki zavirajo proces.

Učinki ultrazvoka na razkrojni potencial

Ultrazvočno nihanje anode, katode ali obeh elektrod lahko vpliva na razkrojni potencial ali razkrojno napetost. Znano je, da že sama kavitacija razbija molekule ter tvori proste radikale ali ozon. Kombinacija kavitacije in elektrolize pri ultrazvočno izboljšani elektrolizi lahko vpliva na najmanjšo potrebno napetost med anodo in katodo elektrolitske celice, pri kateri poteče elektroliza. Mehanski in sonokemijski učinki kavitacije lahko izboljšajo tudi energijsko učinkovitost elektrolize.

Ultrazvok pri elektrolitskem rafiniranju in elektrolitskem pridobivanju kovin

Pri elektrolitskem rafiniranju je mogoče trdne obloge kovin, kot je baker, pretvoriti v suspenzijo trdnih delcev v elektrolitu. Pri elektrolitskem pridobivanju kovin, imenovanem tudi elektroekstrakcija, je mogoče elektrodepozicijo kovin iz njihovih rud pretvoriti v trdno oborino. Kovine, ki se običajno pridobivajo elektrolitsko, so svinec, baker, zlato, srebro, cink, aluminij, krom, kobalt, mangan ter redkozemeljske in alkalijske kovine.
Sonikacija je učinkovito sredstvo tudi za izluževanje rud.

Sonoelektrolitsko čiščenje tekočin

Očistite tekočino, na primer vodno raztopino, kot je odpadna voda, blato ali podobno, tako da raztopino vodite skozi električno polje dveh elektrod! Elektroliza lahko razkuži ali očisti vodne raztopine. Dovajanje raztopine NaCI skupaj z vodo skozi elektrode ali prek njih ustvarja Cl2 ali CIO2, ki lahko oksidirata nečistoče ter razkužita vodo ali vodne raztopine. Če voda vsebuje dovolj naravnih kloridov, dodajanje ni potrebno.
Ultrazvočno nihanje elektrode lahko mejno plast med elektrodo in vodo stanjša, kolikor je mogoče. S tem se lahko prenos snovi izboljša za več velikostnih redov. Ultrazvočno nihanje in kavitacija znatno zmanjšata nastajanje mikroskopskih mehurčkov zaradi polarizacije. Uporaba ultrazvočnih elektrod pri elektrolizi bistveno izboljša proces elektrolitskega čiščenja.

Sonoelektrokoagulacija (ultrazvočna elektrokoagulacija)

Elektrokoagulacija je metoda čiščenja odpadne vode za odstranjevanje onesnaževal, kot so emulgirano olje, skupni naftni ogljikovodiki, težko razgradljive organske snovi, suspendirane trdne snovi in težke kovine. Za čiščenje vode je mogoče odstraniti tudi radioaktivne ione. Dodajanje sonikacije elektrokoagulaciji, znano tudi kot sonoelektrokoagulacija, pozitivno vpliva na učinkovitost zmanjševanja kemijske potrebe po kisiku ali odstranjevanja motnosti. Kombinirani postopki obdelave z elektrokoagulacijo so pokazali močno izboljšano učinkovitost odstranjevanja onesnaževal iz industrijske odpadne vode. Vključitev koraka, ki tvori proste radikale, kot je ultrazvočna kavitacija, v elektrokoagulacijo kaže sinergijo in izboljšave celotnega procesa čiščenja. Namen uporabe teh hibridnih ultrazvočno-elektrolitskih sistemov je povečati skupno učinkovitost obdelave in odpraviti slabosti običajnih postopkov obdelave. Dokazano je, da hibridni ultrazvočno-elektrokoagulacijski reaktorji inaktivirajo Escherichia coli v vodi.

Ultrazvočna naprava UIP2000hdT (2000 vatov, 20kHz) kot sonokatoda in/ali sonoanoda v rezervoarju

Sonoelektrolitsko pridobivanje reagentov ali reaktantov in situ

Številnim kemijskim procesom, kot so heterogene reakcije ali kataliza, koristita ultrazvočno mešanje in ultrazvočna kavitacija. Sonokemijski vpliv lahko poveča hitrost reakcije ali izboljša izkoristke pretvorbe.
Ultrazvočno nihajoče elektrode kemijskim reakcijam dodajajo novo zmogljivo orodje. Zdaj lahko prednosti sonokemije združite z elektrolizo. Proizvajajte vodik, hidroksidne ione, hipoklorit in številne druge ione ali nevtralne snovi neposredno v polju ultrazvočne kavitacije. Produkti elektrolize lahko v kemijski reakciji delujejo kot reagenti ali reaktanti.

Kombinacija ultrazvoka in pulznega električnega polja

Kombinacija pulznega električnega polja (PEF) in ultrazvoka (US) pozitivno vpliva na ekstrakcijo fizikalno-kemijskih, bioaktivnih spojin in na kemijsko strukturo ekstraktov. Pri ekstrakciji mandljev je kombinirana obdelava (PEF–US) zagotovila najvišje ravni skupnih fenolnih spojin, skupnih flavonoidov, kondenziranih taninov, vsebnosti antocianinov in antioksidativne aktivnosti. Zmanjšala je moč in aktivnost keliranja kovin.
Ultrazvok (US) in pulzno električno polje (PEF) se lahko uporabljata za izboljšanje učinkovitosti procesa in povečanje proizvodnih hitrosti pri fermentacijskih procesih z izboljšanjem prenosa snovi in prepustnosti celic.
Kombinacija obdelave s pulznim električnim poljem in ultrazvokom vpliva na kinetiko sušenja z zrakom in kakovost posušene zelenjave, kot je korenje. Čas sušenja je mogoče skrajšati za 20 do 40%, pri čemer se ohranijo lastnosti rehidracije.

Sonoelektrokemija / ultrazvočna elektrokemija

Dodajte ultrazvočno izboljšano elektrolizo za proizvodnjo reaktantov ali porabo produktov kemijskih reakcij, da premaknete končno ravnotežje kemijske reakcije ali spremenite potek kemijske reakcije.

Predlagana postavitev ultrazvočnih elektrod

Inovativna zasnova ultrazvočnih naprav s sondo pretvori standardno ultrazvočno sonotrodo v ultrazvočno nihajočo elektrodo. S tem je ultrazvok za elektrode dostopnejši, lažje ga je vključiti in preprosto prenesti na proizvodno raven. Druge zasnove so mešale samo elektrolit med dvema elektrodama, ki nista nihali. Senčenje in vzorci širjenja ultrazvočnih valov dajejo slabše rezultate v primerjavi z neposrednim nihanjem elektrode. Ultrazvočno nihanje lahko dodate anodam oziroma katodam. Seveda lahko napetost in polarnost elektrod kadar koli spremenite. Elektrode Hielscher Ultrasonics je preprosto naknadno vgraditi v obstoječe postavitve.

Zatesnjena sonoelektrolitska celica in elektrokemijski reaktorji

Na voljo je tlačno tesno tesnilo med ultrazvočno sonotrodo (elektrodo) in reaktorsko posodo. Zato lahko elektrolitsko celico uporabljate pri tlaku, ki se razlikuje od tlaka okolice. Kombinacija ultrazvoka in tlaka se imenuje manosonikacija. To je lahko zanimivo, če pri elektrolizi nastajajo plini, pri delu pri višjih temperaturah ali pri delu s hlapnimi tekočimi komponentami. Tesno zatesnjen elektrokemijski reaktor lahko deluje pri tlakih nad ali pod tlakom okolice. Tesnilo med ultrazvočno elektrodo in reaktorjem je lahko električno prevodno ali izolacijsko. Slednje omogoča uporabo sten reaktorja kot druge elektrode. Seveda ima lahko reaktor dovodne in odvodne priključke, da deluje kot reaktor s pretočno celico za neprekinjene procese. Hielscher Ultrasonics ponuja različne standardizirane reaktorje in pretočne celice s plaščem. Izbirate lahko tudi med različnimi adapterji za namestitev sonotrod Hielscher na svoj elektrokemijski reaktor.

Koncentrična postavitev v cevnem reaktorju

Če je ultrazvočno nihajoča elektroda blizu druge elektrode, ki ne niha, ali blizu stene reaktorja, se ultrazvočni valovi širijo skozi tekočino in delujejo tudi na druge površine. Ultrazvočno nihajoča elektroda, ki je koncentrično nameščena v cevi ali reaktorju, lahko ohranja notranje stene brez oblog ali nakopičenih trdnih snovi.

Temperatura

Pri uporabi standardnih sonotrod Hielscher kot elektrod je lahko temperatura elektrolita med 0 in 80 stopinjami Celzija. Sonotrode za druge temperature elektrolita v območju od -273 stopinj Celzija do 500 stopinj Celzija so na voljo na zahtevo. Kombinacija ultrazvoka in temperature se imenuje termosonikacija.

Viskoznost

Če viskoznost elektrolita zavira prenos snovi, bi lahko bilo mešanje z ultrazvočnim nihanjem med elektrolizo koristno, saj izboljša prenos snovi do elektrod in od njih.

Sonoelektroliza s pulzirajočim tokom

Pulzirajoči tok na ultrazvočno nihajočih elektrodah daje drugačne produkte kot enosmerni tok (DC). Pulzirajoči tok lahko na primer poveča razmerje med ozonom in kisikom, ki nastajata na anodi pri elektrolizi vodne kisle raztopine, na primer razredčene žveplove kisline. Pri elektrolizi etanola s pulznim tokom nastane aldehid namesto pretežno kisline.

Oprema za elektrosonikacijo

Hielscher Ultrasonics je razvil posebno sonoelektrokemijsko nadgradnjo za industrijske pretvornike. Nadgrajeni pretvornik deluje s skoraj vsemi vrstami sonotrod Hielscher.

Ultrazvočne elektrode (sonotrode)

Sonotrode so električno izolirane od ultrazvočnega generatorja. Zato lahko ultrazvočno sonotrodo priključite na električno napetost, da deluje kot elektroda. Standardna električna izolacijska reža med sonotrodami in ozemljitvenim kontaktom je 2,5 mm. Zato bi lahko na sonotrodo priključili napetost do 2500 voltov. Standardne sonotrode so polne in izdelane iz titana. Zato tok skozi elektrodo skoraj ni omejen. Titan je dobro odporen proti koroziji v številnih alkalnih ali kislih elektrolitih. Možni so alternativni materiali sonotrod, kot so aluminij (Al), jeklo (Fe), nerjavno jeklo, nikelj-krom-molibden ali niobij. Hielscher ponuja stroškovno ugodne sonotrode, ki delujejo kot žrtvene anode, na primer iz aluminija ali jekla.

Ultrazvočni generator, napajanje

Ultrazvočni generator ne potrebuje nobenih sprememb in uporablja standardno električno vtičnico z ozemljitvijo. Rog pretvornika in vse zunanje površine pretvornika ter generatorja so seveda povezani z ozemljitvijo električne vtičnice. Sonotroda in oporni element sta edina dela, priključena na napetost elektrode. To olajša zasnovo postavitve. Sonotrodo lahko priključite na enosmerni tok (DC), pulzirajoči enosmerni tok ali izmenični tok (AC). Ultrazvočne elektrode lahko delujejo kot anode oziroma katode.

Proizvodna oprema za procese elektrosonikacije

Uporabite lahko katero koli ultrazvočno napravo Hielscher, kot so UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT ali UIP4000hdT, za sklopitev do 4000 vatov ultrazvočne moči s katero koli standardno sonotrodo ali cascatrode. Površinska intenziteta ultrazvoka na površini sonotrode je lahko med 1 vatom in 100 vati vat na kvadratni centimeter. Na voljo so različne geometrije sonotrod z amplitudami od 1 mikrometra do 150 mikrometrov (od vrha do vrha). Ultrazvočna frekvenca 20kHz je zelo učinkovita pri ustvarjanju kavitacije in akustičnega strujanja v elektrolitu. Ultrazvočne naprave Hielscher lahko delujejo 24 ur na dan, sedem dni na teden. Delujejo lahko neprekinjeno pri polni izhodni moči ali pulzno, na primer za občasno čiščenje elektrod. Hielscher Ultrasonics lahko dobavi ultrazvočne elektrode z do 16 kilovati ultrazvočne moči (mehansko nihanje) na posamezno elektrodo. Električna moč, ki jo lahko priključite na elektrode, skoraj ni omejena.

Še nekaj: sonoelektrostatično razprševanje

Hielscher Ultrasonics izdeluje opremo za pršenje, meglenje, atomizacijo ali aerosolizacijo tekočin. Ultrazvočna sonotroda za pršenje lahko tekočinski meglici ali aerosolom podeli pozitiven naboj. S tem se ultrazvočno pršenje združuje s tehnologijo elektrostatičnega pršenja, na primer za postopke nanašanja prevlek.

Literatura / reference

• 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.