Sonoelektrokemija in njene prednosti

Tukaj boste našli vse, kar morate vedeti o ultrazvočni elektrokemiji (sonoelektrokemiji): načelo delovanja, uporabe, prednosti in sonoelektrokemijsko opremo – vse pomembne informacije o sonoelektrokemiji na eni strani.

Zakaj uporabljati ultrazvok v elektrokemiji?

Kombinacija nizkofrekvenčnih ultrazvočnih valov visoke intenzivnosti z elektrokemijskimi sistemi prinaša številne prednosti, ki izboljšujejo učinkovitost in hitrost pretvorbe pri elektrokemijskih reakcijah.

Načelo delovanja ultrazvoka

Za visokozmogljivo ultrazvočno obdelavo ultrazvočni generator ustvarja nizkofrekvenčni ultrazvok visoke intenzivnosti, ki se prek ultrazvočne sonde (sonotrode) prenaša v tekočino. Za ultrazvok visoke moči velja ultrazvok v območju 16–30kHz. Ultrazvočna sonda se na primer pri 20kHz razteza in krči ter tako v medij prenaša 20.000 nihajev na sekundo. Ko ultrazvočni valovi potujejo skozi tekočino, izmenjujoči se cikli visokega tlaka (stiskanja) / nizkega tlaka (redčenja ali raztezanja) ustvarjajo drobne vakuumske mehurčke ali votline, ki rastejo skozi več tlačnih ciklov. Med fazo stiskanja tekočine in mehurčkov je tlak pozitiven, faza redčenja pa ustvari vakuum (negativni tlak). Med cikli stiskanja in raztezanja votline v tekočini rastejo, dokler ne dosežejo velikosti, pri kateri ne morejo več absorbirati energije. Takrat silovito implodirajo. Implozija teh votlin povzroči različne visokoenergijske učinke, ki so znani kot pojav akustične / ultrazvočne kavitacije. Za akustično kavitacijo so značilni številni visokoenergijski učinki, ki vplivajo na tekočine, sisteme trdno/tekoče in sisteme plin/tekočina. Območje z visoko energijsko gostoto oziroma kavitacijsko območje je znano kot tako imenovano območje vročih točk. Energijska gostota je največja v neposredni bližini ultrazvočne sonde in se z večanjem oddaljenosti od sonotrode zmanjšuje. Glavne značilnosti ultrazvočne kavitacije vključujejo lokalno nastajajoče zelo visoke temperature in tlake ter njihove razlike, turbulenco in tokove tekočine. Med implozijo ultrazvočnih votlin v ultrazvočnih vročih točkah je mogoče izmeriti temperature do 5000 kelvinov, tlake do 200 atmosfer in curke tekočine s hitrostjo do 1000km/h. Te izjemne razmere z visoko energijsko intenzivnostjo prispevajo k sonomehanskim in sonokemijskim učinkom, ki na različne načine intenzivirajo elektrokemijske sisteme.

Učinki ultrazvoka na elektrokemijske sisteme

Uporaba ultrazvočne obdelave pri elektrokemijskih reakcijah je znana po različnih učinkih na elektrodi, tj. anodo in katodo, ter na elektrolitsko raztopino. Ultrazvočna kavitacija in akustično strujanje ustvarjata izrazita mikrogibanja, udarne curke tekočine in mešanje v reakcijski tekočini. To izboljša hidrodinamiko in gibanje zmesi tekočine in trdne snovi. Ultrazvočna kavitacija zmanjša efektivno debelino difuzijske plasti ob elektrodi. Tanjša difuzijska plast pomeni, da sonikacija zmanjšuje razliko v koncentraciji, kar pomeni, da ultrazvok spodbuja približevanje koncentracije v bližini elektrode koncentraciji v glavnini raztopine. Vpliv ultrazvočnega mešanja na koncentracijske gradiente med reakcijo zagotavlja stalen dovod sveže raztopine do elektrode in odvajanje zreagiranega materiala. To pomeni, da je sonikacija izboljšala celotno kinetiko, pospešila reakcijo in povečala njen izkoristek.
Z vnosom ultrazvočne energije v sistem in sonokemijskim nastajanjem prostih radikalov je mogoče sprožiti elektrokemijsko reakcijo, ki bi bila sicer elektrokemijsko neaktivna. Drug pomemben učinek akustičnega nihanja in strujanja je čiščenje površin elektrod. Pasivacijske plasti in obloge na elektrodah omejujejo učinkovitost in hitrost elektrokemijskih reakcij. Ultrazvočna obdelava ohranja elektrodi ves čas čisti in popolnoma aktivni za reakcijo. Ultrazvočna obdelava je dobro znana po svojih učinkih razplinjevanja, ki so koristni tudi pri elektrokemijskih reakcijah. Z odstranitvijo neželenih plinov iz tekočine lahko reakcija poteka učinkoviteje.

Uporabe sonoelektrokemije

Sonoelektrokemijo je mogoče uporabiti pri različnih procesih in v različnih panogah. Zelo pogoste uporabe sonoelektrokemije vključujejo:

• Sintezo nanodelcev (elektrosintezo)
• Sintezo vodika
• Elektrokoagulacijo
• Čiščenje odpadnih voda
• Razbijanje emulzij
• Galvanizacijo / elektrodepozicijo
• Ohmsko segrevanje

Sonoelektrokemijska sinteza nanodelcev

Ultrazvočna obdelava je bila uspešno uporabljena za sintezo različnih nanodelcev v elektrokemijskem sistemu. S sonoelektrokemijo so bili uspešno proizvedeni magnetit, nanocevke iz kadmija in selena (CdSe), nanodelci platine (NPs), nanodelci zlata, kovinski magnezij, bizmuten, nanosrebro, ultrafini baker, nanodelci zlitine volframa in kobalta (W–Co), nanokompozit samarijevega oksida in reduciranega grafenovega oksida, bakrovi nanodelci velikosti pod 1nm, prekriti s poli(akrilno kislino), ter številni drugi praški z delci nanometrskih velikosti.
Prednosti sonoelektrokemijske sinteze nanodelcev vključujejo:

• izogibanje reducentom in površinsko aktivnim snovem
• uporabo vode kot topila
• prilagajanje velikosti nanodelcev s spreminjanjem parametrov (ultrazvočne moči, gostote toka, depozicijskega potenciala ter trajanja ultrazvočnih impulzov v primerjavi z elektrokemijskimi impulzi)

Ashasssi-Sorkhabi in Bagheri (2014) sta sonoelektrokemijsko sintetizirala polipirolne filme in rezultate primerjala z elektrokemijsko sintetiziranimi polipirolnimi filmi. Rezultati kažejo, da je galvanostatska sonoelektrodepozicija na jeklu ustvarila močno oprijet in gladek polipirolni (PPy) film pri gostoti toka 4 mA cm–2 v raztopini 0,1 M oksalne kisline/0,1 M pirola. S sonoelektrokemijsko polimerizacijo sta pridobila žilave filme PPy z visoko odpornostjo in gladko površino. Pokazalo se je, da prevleke PPy, pripravljene s sonoelektrokemijo, zagotavljajo znatno protikorozijsko zaščito jekla St-12. Sintetizirana prevleka je bila enakomerna in je izkazovala visoko korozijsko odpornost. Vse te rezultate je mogoče pripisati dejstvu, da je ultrazvok izboljšal prenos snovi reaktantov ter z akustično kavitacijo in posledičnimi visokimi temperaturami in tlaki povzročil visoke hitrosti kemijskih reakcij. Veljavnost impedančnih podatkov za medfazni sistem jeklo St-12/dve prevleki PPy/korozivni mediji je bila preverjena s transformacijami KK, pri čemer so bile ugotovljene majhne povprečne napake.

Hass in Gedanken (2008) sta poročala o uspešni sonoelektrokemijski sintezi nanodelcev kovinskega magnezija. Učinkovitost sonoelektrokemijskega procesa z Gringardovim reagentom je bila 41,35% v tetrahidrofuranu (THF) in 33,08% v raztopini dibutildiglima. Dodajanje AlCl3 Gringardovi raztopini je učinkovitost močno povečalo, in sicer na 82,70% v THF ter na 51,69% v dibutildiglimu.

Sonoelektrokemijska proizvodnja vodika

Elektroliza, pospešena z ultrazvokom, znatno poveča izkoristek pridobivanja vodika iz vode ali alkalnih raztopin. Kliknite tukaj in preberite več o elektrolitski sintezi vodika, pospešeni z ultrazvokom!

Elektrokoagulacija s pomočjo ultrazvoka

Uporaba nizkofrekvenčnega ultrazvoka v elektrokoagulacijskih sistemih je znana kot sonoelektrokoagulacija. Raziskave kažejo, da sonikacija pozitivno vpliva na elektrokoagulacijo, kar na primer izboljša učinkovitost odstranjevanja železovih hidroksidov iz odpadnih voda. Pozitivni vpliv ultrazvoka na elektrokoagulacijo je mogoče pojasniti z zmanjšanjem pasivacije elektrod. Nizkofrekvenčni ultrazvok visoke intenzivnosti razbije naložene trdne plasti in jih učinkovito odstrani ter tako ohranja elektrodi ves čas popolnoma aktivni. Poleg tega ultrazvok aktivira obe vrsti ionov, tj. katione in anione, prisotne v reakcijskem območju elektrod. Ultrazvočno mešanje povzroči izrazita mikrogibanja raztopine, ki dovaja surovino do elektrod in odvaja produkt z njih.
Primeri uspešnih sonoelektrokoagulacijskih procesov so redukcija Cr(VI) v Cr(III) v odpadnih vodah farmacevtske industrije, odstranjevanje celotnega fosforja iz odpadnih voda industrije finih kemikalij z učinkovitostjo odstranjevanja fosforja 99,5% v 10 min., odstranjevanje obarvanosti in KPK iz odpadnih voda industrije celuloze in papirja itd. Poročane učinkovitosti odstranjevanja obarvanosti, KPK, Cr(VI), Cu(II) in P so bile 100%, 95%, 100%, 97,3% oziroma 99,84%. (prim. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sonoelektrokemijska razgradnja onesnaževal

Elektrokemijske oksidacijske in/ali redukcijske reakcije, pospešene z ultrazvokom, se uporabljajo kot zmogljiva metoda za razgradnjo kemijskih onesnaževal. Sonomehanski in sonokemijski mehanizmi pospešujejo elektrokemijsko razgradnjo onesnaževal. Ultrazvočno ustvarjena kavitacija povzroči intenzivno mešanje, mikromešanje, prenos snovi in odstranjevanje pasivacijskih plasti z elektrod. Ti kavitacijski učinki predvsem izboljšujejo prenos snovi med trdno in tekočo fazo, tj. med elektrodami in raztopino. Sonokemijski učinki neposredno vplivajo na molekule. Homolitska cepitev molekul ustvarja zelo reaktivne oksidante. V vodnih medijih in ob prisotnosti kisika nastajajo radikali, kot so HO•, HO2• in O•. Znano je, da so radikali •OH pomembni za učinkovito razgradnjo organskih snovi. Sonoelektrokemijska razgradnja je na splošno zelo učinkovita in primerna za obdelavo velikih količin tokov odpadnih voda in drugih onesnaženih tekočin.
Lllanos in sod. (2016) so na primer ugotovili, da so bili pri dezinfekciji vode doseženi znatni sinergijski učinki, ko je bil elektrokemijski sistem intenziviran s sonikacijo (sonoelektrokemijska dezinfekcija). Ugotovljeno je bilo, da je to povečanje hitrosti dezinfekcije povezano z zaviranjem nastajanja aglomeratov celic E. coli in povečanim nastajanjem dezinfekcijskih zvrsti. Esclapez in sod. (2010) so pokazali, da je pri uporabi posebej zasnovanega sonoelektrokemijskega reaktorja (ki pa ni bil optimiziran) med povečevanjem merila razgradnje trikloroocetne kisline (TCAA) prisotnost ultrazvočnega polja, ustvarjenega z UIP1000hd, zagotovila boljše rezultate (delež pretvorbe 97%, učinkovitost razgradnje 26%, selektivnost 0,92 in tokovni izkoristek 8%) pri nižjih ultrazvočnih intenzivnostih in manjšem volumskem pretoku. Glede na to, da sonoelektrokemijski reaktor v predpilotnem merilu še ni bil optimiziran, je zelo verjetno, da je mogoče te rezultate še dodatno izboljšati.

Ultrazvočna voltametrija in elektrodepozicija

Elektrodepozicija je potekala galvanostatsko pri gostoti toka 15 mA/cm2. Raztopine so bile pred elektrodepozicijo ultrazvočno obdelane 5–60 minut. Hielscher UP200S, ultrazvočni procesor s sondo, je bil uporabljen pri času cikla 0,5. Ultrazvočna obdelava je bila izvedena z neposrednim potopom ultrazvočne sonde v raztopino. Za ovrednotenje vpliva ultrazvoka na raztopino pred elektrodepozicijo je bila uporabljena ciklična voltametrija (CV), ki razkriva obnašanje raztopine in omogoča napovedovanje idealnih pogojev za elektrodepozicijo. Ugotovljeno je bilo, da se pri ultrazvočni obdelavi raztopine pred elektrodepozicijo depozicija začne pri manj negativnih vrednostih potenciala. To pomeni, da je pri enakem toku v raztopini potreben manjši potencial, saj se zvrsti v raztopini obnašajo bolj aktivno kot v raztopinah, ki niso bile ultrazvočno obdelane. (prim. Yurdal & Karahan 2017)
Preberite več o sonoelektrokemijskem nanašanju prevlek, izboljšanih z nanomateriali!

Visokozmogljive elektrokemijske sonde in SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics je vaš partner z dolgoletnimi izkušnjami na področju visokozmogljivih ultrazvočnih sistemov. Proizvajamo in dobavljamo najsodobnejše ultrazvočne sonde in reaktorje, ki se po vsem svetu uporabljajo za zahtevne aplikacije v zahtevnih okoljih. Za sonoelektrokemijo je Hielscher razvil posebne ultrazvočne sonde, ki lahko delujejo kot katoda in/ali anoda, ter ultrazvočne reaktorske celice, primerne za elektrokemijske reakcije. Ultrazvočne elektrode in celice so na voljo za galvanske / voltaične in elektrolitske sisteme.

Natančno nastavljive amplitude za optimalne rezultate

Vse ultrazvočne procesorje Hielscher je mogoče natančno krmiliti, zato so zanesljivi delovni stroji v raziskavah in razvoju ter proizvodnji. Amplituda je eden ključnih procesnih parametrov, ki vplivajo na učinkovitost in uspešnost sonokemijsko in sonomehansko sproženih reakcij. Vsi procesorji Hielscher Ultrasonics omogočajo natančno nastavitev amplitude. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude in potrebno ultrazvočno intenzivnost za zahtevne sonoelektrokemijske aplikacije. Pri amplitudah do 200µm lahko brez težav neprekinjeno delujejo v režimu 24/7.
Natančne nastavitve amplitude in stalno spremljanje parametrov ultrazvočnega procesa prek pametne programske opreme vam omogočajo natančen vpliv na sonoelektrokemijsko reakcijo. Med vsakim ciklom sonikacije se vsi ultrazvočni parametri samodejno beležijo na vgrajeno kartico SD, tako da je mogoče vsak cikel ovrednotiti in nadzorovati. Optimalna sonikacija za najučinkovitejše sonoelektrokemijske reakcije!
Vsa oprema je zasnovana za uporabo 24/7/365 pri polni obremenitvi, zaradi svoje robustnosti in zanesljivosti pa je zanesljiv delovni stroj v vašem elektrokemijskem procesu. Ultrazvočna oprema Hielscher je zato zanesljivo delovno orodje, ki izpolnjuje zahteve vašega sonoelektrokemijskega procesa.

Najvišja kakovost – zasnovano in izdelano v Nemčiji

Hielscher kot podjetje v družinski lasti in z družinskim vodstvom daje prednost najvišjim standardom kakovosti svojih ultrazvočnih procesorjev. Vsi ultrazvočni procesorji so zasnovani, izdelani in temeljito preizkušeni na našem sedežu v Teltowu blizu Berlina v Nemčiji. Zaradi robustnosti in zanesljivosti je ultrazvočna oprema Hielscher zanesljiv delovni stroj v vaši proizvodnji. Delovanje 24/7 pri polni obremenitvi in v zahtevnih okoljih je samoumevna lastnost visokozmogljivih ultrazvočnih sond in reaktorjev Hielscher.

Stopite v stik z nami in nam predstavite zahteve svojega elektrokemijskega procesa! Priporočili vam bomo najprimernejše ultrazvočne elektrode in konfiguracijo reaktorja!