Sono-elektrokemija in njene prednosti

Tukaj boste našli vse, kar morate vedeti o ultrazvočni elektrokemiji (sonoelektrokemija): princip delovanja, aplikacije, prednosti in sono-elektrokemična oprema – Vse pomembne informacije o sonoelektrokemiji na eni strani.

Zakaj uporaba ultrazvoka v elektrokemiji?

Kombinacija nizkofrekvenčnih, visoko intenzivnih ultrazvočnih valov z elektrokemičnimi sistemi prinaša številne prednosti, ki izboljšujejo učinkovitost in hitrost pretvorbe elektrokemičnih reakcij.

Načelo delovanja ultrazvoka

Za visoko zmogljivo ultrazvočno obdelavo ultrazvočni generator ustvarja visokointenzivni, nizkofrekvenčni ultrazvok in se prek ultrazvočne sonde (sonotrode) prenaša v tekočino. Ultrazvok visoke moči se šteje za ultrazvok v območju 16-30kHz. Ultrazvočna sonda se razširi in skrči, npr. pri 20 kHz, s čimer v medij prenaša 20.000 vibracij na sekundo. Ko ultrazvočni valovi potujejo skozi tekočino, izmenični visokotlačni (kompresijski) / nizkotlačni (redčenje ali ekspanzija) cikli ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke ali votline, ki rastejo v več tlačnih ciklih. Med fazo stiskanja tekočine in mehurčkov je tlak pozitiven, medtem ko faza redčenja proizvaja vakuum (negativni tlak). Med cikli stiskanja in ekspanzije votline v tekočini rastejo, dokler ne dosežejo velikosti, pri kateri ne morejo absorbirati več energije. Na tej točki nasilno implodirajo. Implozija teh votline ima za posledico različne visoko energijske učinke, ki so znani kot pojav akustične / ultrazvočne kavitacije. Za akustično kavitacijo so značilni številni visoko energijski učinki, ki vplivajo na tekočine, sisteme trdne / tekočine in sisteme plin/tekočina. Energetsko gosto območje ali kavitacijsko območje je znano kot tako imenovano območje vročih točk, ki je najbolj energijsko gosto v neposredni bližini ultrazvočne sonde in se zmanjšuje z naraščajočo oddaljenostjo od sonotrode. Glavne značilnosti ultrazvočne kavitacije vključujejo lokalno pojavljajoče se zelo visoke temperature in tlake ter ustrezne razlike, turbulence in pretok tekočine. Med implozijo ultrazvočnih votlin v ultrazvočnih vročih točkah se lahko merijo temperature do 5000 Kelvinov, tlaki do 200 atmosfer in tekoči curki do 1000 km / h. Ti izjemni energetsko intenzivni pogoji prispevajo k sonomehanskim in sonokemičnim učinkom, ki na različne načine intenzivirajo elektrokemične sisteme.

Učinki ultrazvoka na elektrokemične sisteme

Uporaba ultrasonication za elektrokemične reakcije je znana po različnih učinkih na elektrode, tj. anodo in katodo, kot tudi elektrolitsko raztopino. Ultrazvočna kavitacija in akustično pretakanje ustvarjata pomembno mikro-gibanje, ki vpliva na curke tekočine in mešanje v reakcijsko tekočino. To ima za posledico izboljšano hidrodinamiko in gibanje mešanice tekočina/trdna snov. Ultrazvočna kavitacija zmanjša učinkovito debelino difuzijske plasti na elektrodi. Zmanjšana difuzijska plast pomeni, da ultrazvočno razbijanje zmanjša razliko v koncentraciji, kar pomeni, da se ultrazvočno spodbujata konvergenca koncentracije v bližini elektrode in vrednost koncentracije v razsuti raztopini. Vpliv ultrazvočnega mešanja na koncentracijske gradiente med reakcijo zagotavlja trajno dovajanje sveže raztopine na elektrodo in odvoz reagiranega materiala. To pomeni, da je ultrazvočno razbijanje izboljšalo celotno kinetiko, pospešilo hitrost reakcije in povečalo donos reakcije.
Z uvedbo ultrazvočne energije v sistem in sonokemično tvorbo prostih radikalov se lahko sproži elektrokemična reakcija, ki bi bila sicer elektroneaktivna. 
Drug pomemben učinek akustičnih vibracij in pretoka je čistilni učinek na površine elektrod. Pasivizacije plasti in obraščanje na elektrodah omejujejo učinkovitost in hitrost reakcije elektrokemičnih reakcij. Ultrasonication ohranja elektrode trajno čiste in popolnoma aktivne za reakcijo. Ultrasonication je dobro znan po svojih učinkih razplinjevanja, ki so koristni tudi pri elektrokemičnih reakcijah. Z odstranjevanjem neželenih plinov iz tekočine je reakcija lahko učinkovitejša.

Uporaba sonoelektrokemije

Sonoelektrokemija se lahko uporablja v različnih procesih in v različnih industrijah. Zelo pogoste aplikacije sonoelektrokemije vključujejo naslednje:

• Sinteza nanodelcev (elektrosinteza)
• sinteza vodika
• Elektrokoagulacija
• Čiščenje odpadnih voda
• Razbijanje emulzij
• Galvanizacija / nanašanje z elektrodiko
• ohmsko ogrevanje

Sono-elektrokemična sinteza nanodelcev

Ultrasonication je bil uspešno uporabljen za sintezo različnih nanodelcev v elektrokemičnem sistemu. Magnetit, kadmij-selen (CdSe) nanocevke, nanodelci platine (NP), zlati NP, kovinski magnezij, bizmuten, nano-srebro, ultra fini baker, nanodelci zlitine volfram-kobalt (W-Co), nanokompozit iz samarije / reduciranog grafen oksida, nanodelci bakra s poli(akrilno kislino) pod 1nm in številni drugi nano-velikosti praški so bili uspešno proizvedeni z uporabo sonoelektrokemije.
Prednosti sonoelektrokemične sinteze nanodelcev vključujejo

• izogibanje redukcijskim in površinsko aktivnim snovem
• uporaba vode kot topila
• prilagajanje velikosti nanodelcev z različnimi parametri (ultrazvočna moč, gostota toka, potencial nanašanja in ultrazvočni v primerjavi z elektrokemičnimi impulznimi časi)

Ashasssi-Sorkhabi in Bagheri (2014) sta sonoelektrokemično sintetizirala polipirolne filme in rezultate primerjala z elektrokemično sintetiziranimi polipirolnimi filmi. Rezultati kažejo, da je galvanostatična sonoelektrodepozicija ustvarila močno oprijemljiv in gladek polipirolni (PPy) film na jeklu s tokovno gostoto 4 mA cm–2 v raztopini 0,1 M oksalne kisline / 0,1 M pirola. S sonoelektrokemično polimerizacijo so dobili visoko odporne in trdne PPy filme z gladko površino. Dokazano je, da PPy premazi, pripravljeni s sonoelektrokemijo, zagotavljajo znatno zaščito pred korozijo jekla St-12. Sintetizirana prevleka je bila enakomerna in je pokazala visoko odpornost proti koroziji. Vse te rezultate lahko pripišemo dejstvu, da je ultrazvok povečal prenos mase reaktantov in povzročil visoke hitrosti kemičnih reakcij z akustično kavitacijo in posledičnimi visokimi temperaturami in tlaki. Veljavnost podatkov o impedanci za vmesnik jeklo St-12 / dva PPy premaza / korozivni medij je bila preverjena z uporabo transformacij KK in opazili so nizke povprečne napake.

Hass in Gedanken (2008) sta poročala o uspešni sono-elektrokemični sintezi kovinskih magnezijevih nanodelcev. Učinkovitost sonoelektrokemičnega procesa Gringardovega reagenta v tetrahidrofuranu (THF) ali v raztopini dibutildiglime je bila 41,35% oziroma 33,08%. Dodajanje AlCl3 Gringardovi raztopini je dramatično povečalo učinkovitost in jo dvignilo na 82,70% oziroma 51,69% v THF oziroma dibutildiglime.

Sono-elektrokemična proizvodnja vodika

Ultrazvočno pospešena elektroliza znatno poveča izkoristek vodika iz vode ali alkalnih raztopin. Kliknite tukaj, če želite prebrati več o ultrazvočno pospešeni elektrolitski sintezi vodika!

Ultrazvočno podprta elektrokoagulacija

Uporaba nizkofrekvenčnega ultrazvoka za elektrokoagulacijske sisteme je znana kot sono-elektrokoagulacija. Študije kažejo, da ultrazvočna obdelava pozitivno vpliva na elektrokoagulacijo, kar ima za posledico npr. večjo učinkovitost odstranjevanja železovih hidroksidov iz odpadne vode. Pozitiven vpliv ultrazvoka na elektrokoagulacijo je razložen z zmanjšanjem pasivacije elektrod. Nizkofrekvenčni, visoko intenzivni ultrazvok uniči odloženo trdno plast in jo učinkovito odstrani, s čimer elektrode ostanejo stalno popolnoma aktivne. Poleg tega ultrazvok aktivira obe vrsti ionov, tj. katione in anione, ki so prisotni v reakcijskem območju elektrod. Ultrazvočno mešanje povzroči visoko mikro-gibanje raztopine, ki se dopušča in odnaša surovine in izdelke v elektrode in iz njih.
Primeri za uspešne sono-elektrokoagulacijske procese so redukcija Cr(VI) do Cr(III) v farmacevtski odpadni vodi, odstranjevanje skupnega fosforja iz odpadnih voda fine kemične industrije z učinkovitostjo odstranjevanja fosforja je bilo 99,5% v 10 minutah, odstranjevanje barve in KPK iz odpadnih voda celuloze in papirne industrije itd. Poročane učinkovitosti odstranjevanja barve, KPK, Cr(VI), Cu(II) in P so bile 100%, 95%, 100%, 97,3% in 99,84%. (prim. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-elektrokemična razgradnja onesnaževal

Ultrazvočno spodbujane elektrokemične oksidacijske in / ali redukcijske reakcije se uporabljajo kot močna metoda za razgradnjo kemičnih onesnaževal. Sonomehanski in sonokemični mehanizmi spodbujajo elektrokemično razgradnjo onesnaževal. Ultrazvočno ustvarjena kavitacija povzroči intenzivno mešanje, mikromešanje, prenos mase in odstranjevanje pasivacijskih plasti z elektrod. Ti kavitacijski učinki imajo za posledico predvsem povečanje prenosa mase med trdno in tekočino med elektrodami in raztopino. Sonokemični učinki neposredno vplivajo na molekule. Homolitična cepitev molekul ustvarja visoko reaktivne oksidante. V vodnih medijih in v prisotnosti kisika nastajajo radikali, kot so HO•, HO2• in O•. •Znano je, da so OH radikali pomembni za učinkovito razgradnjo organskih snovi. Na splošno je sono-elektrokemična razgradnja zelo učinkovita in je primerna za čiščenje velikih količin tokov odpadne vode in drugih onesnaženih tekočin.
(2016) so ugotovili, da je bil dosežen pomemben sinergijski učinek za dezinfekcijo vode, ko je bil elektrokemični sistem okrepljen s sonikacijo (sono-elektrokemična dezinfekcija). Ugotovljeno je bilo, da je to povečanje stopnje dezinfekcije povezano z zatiranjem aggomeratov celic E. coli in povečano proizvodnjo razkužilnih vrst. 
(2010) so pokazali, da je bil med povečanjem razgradnje trikloroocetne kisline (TCAA) uporabljen posebej zasnovan sonoelektrokemični reaktor (čeprav ni optimiziran), prisotnost ultrazvočnega polja, ustvarjenega z UIP1000hd, je zagotovila boljše rezultate (delna pretvorba 97%, učinkovitost razgradnje 26%, selektivnost 0,92 in učinkovitost toka 8%) pri nižjih ultrazvočnih intenzivnostih in volumetrični pretoku. Glede na dejstvo, da predpilotni sonoelektrokemični reaktor še ni bil optimiziran, je zelo verjetno, da se lahko ti rezultati še izboljšajo.

Ultrazvočna voltametrija in elektrodepozicija

Elektrodepozicijo smo izvedli galvanostatično pri gostoti toka 15 mA/cm2. Raztopine so bile izpostavljene ultrazvoku pred elektrodepozicijo 5–60 minut. A Hielscher Ultrazvočni aparat UP200S je bila uporabljena v času cikla 0,5. Ultrasonication je bil dosežen z neposrednim potapljanjem ultrazvočne sonde v raztopino. Za oceno ultrazvočnega vpliva na raztopino pred elektronanašanjem je bila uporabljena ciklična voltametrija (CV), da bi razkrili obnašanje raztopine in omogočili napovedovanje idealnih pogojev za elektrodepozicijo. Ugotovljeno je, da ko je raztopina pred elektrodeponiranjem izpostavljena ultrazvoku, se nanašanje začne pri manj negativnih potencialnih vrednostih. To pomeni, da je pri istem toku v raztopini potreben manjši potencial, saj se vrste v raztopini obnašajo bolj aktivne kot pri neultrazvočnih. (prim. Yurdal & Karahan 2017)
Preberite več o sonoelektrokemičnem nanašanju premazov z nanoizboljšanimi lastnostmi!

Visoko zmogljive elektrokemične sonde in SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics je vaš dolgoletni izkušen partner za visoko zmogljive ultrazvočne sisteme. Izdelujemo in distribuiramo najsodobnejše ultrazvočne sonde in reaktorje, ki se uporabljajo po vsem svetu za težke aplikacije v zahtevnih okoljih. Za sonoelektrokemijo je Hielscher razvil posebne ultrazvočne sonde, ki lahko delujejo kot katoda in / ali anoda, kot tudi ultrazvočne reaktorske celice, primerne za elektrokemične reakcije. Ultrazvočne elektrode in celice so na voljo za galvanske / voltaične in elektrolitske sisteme.

Natančno nadzorovane amplitude za optimalne rezultate

Vsi Hielscher ultrazvočni procesorji so natančno nadzorovani in s tem zanesljivi delovni konji v R&D in produkcija. Amplituda je eden ključnih procesnih parametrov, ki vplivajo na učinkovitost in uspešnost sonokemično in sonomahansko povzročenih reakcij. Vsi Hielscher ultrazvočni’ Procesorji omogočajo natančno nastavitev amplitude. Hielscherjevi industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude in zagotovijo zahtevano ultrazvočno intenzivnost za zahtevne sono-elektrokemične aplikacije. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju.
Natančne nastavitve amplitude in stalno spremljanje ultrazvočnih procesnih parametrov s pametno programsko opremo vam omogočajo, da natančno vplivate na sonoelektrokemično reakcijo. Med vsakim ultrazvočnim razbijanjem se vsi ultrazvočni parametri samodejno zabeležijo na vgrajeno SD kartico, tako da se lahko vsaka vožnja oceni in nadzoruje. Optimalna ultrazvočna obdelava za najučinkovitejše sonoelektrokemične reakcije!
Vsa oprema je izdelana za uporabo 24/7/365 pri polni obremenitvi, zaradi svoje robustnosti in zanesljivosti pa je delovni konj v vašem elektrokemičnem procesu. Zaradi tega je Hielscherjeva ultrazvočna oprema zanesljivo delovno orodje, ki izpolnjuje vaše zahteve sonoelektrokemičnega procesa.

Najvišja kakovost – Zasnovano in izdelano v Nemčiji

Kot družinsko in družinsko podjetje Hielscher daje prednost najvišjim standardom kakovosti za svoje ultrazvočne procesorje. Vsi ultrazvočni aparati so zasnovani, izdelani in temeljito preizkušeni na našem sedežu v Teltowu blizu Berlina v Nemčiji. Robustnost in zanesljivost Hielscherjeve ultrazvočne opreme je delovni konj v vaši proizvodnji. 24/7 delovanje pri polni obremenitvi in v zahtevnih okoljih je naravna značilnost Hielscherjevih visoko zmogljivih ultrazvočnih sond in reaktorjev.

Kontaktirajte nas zdaj in nam povejte o svojih zahtevah za elektrokemične procese! Priporočamo vam najprimernejše ultrazvočne elektrode in nastavitev reaktorja!