Sistem za sonoelektrokemijo – ultrazvok z močjo 2000 vatov

Sonoelektrokemija združuje prednosti elektrokemije in sonokemije. Največja prednost teh tehnik so njihova preprostost, nizki stroški, ponovljivost in možnost povečanja merila. Hielscher Ultrasonics ponuja celovit sonoelektrokemijski sistem za šaržno in pretočno uporabo. Sestavljajo ga:

• napreden ultrazvočni generator (2000 vatov) s samodejnim uglaševanjem, nadzorom amplitude in izpopolnjenim beleženjem podatkov,
• zmogljiv pretvornik z ultrazvočnim rogom (industrijske kakovosti, 2000 vatov, 20kHz),
• električni izolator, ki ne zmanjšuje ultrazvočnih vibracij
• ultrazvočni ojačevalni rogovi za povečanje ali zmanjšanje amplitude
• različne izvedbe sonotrod (Sonotroda je elektroda. Katoda ali anoda.)
• reaktor s pretočno celico z zamenljivimi stenami celice (aluminij, nerjavno jeklo, jeklo, baker, …)

Ni vam treba zapravljati časa za razvoj lastnega sistema samo zato, da bi lahko združili ultrazvok z elektrokemijo. Na standardni ultrazvočni opremi vam ni treba izvajati električnih prilagoditev. Pridobite ta industrijski sistem za sonoelektrokemijo ter svoj trud in čas namenite kemijskim raziskavam in optimizaciji procesov!

Sistem za sonoelektrokemijo, pripravljen za uporabo

Hielscher Ultrasonics ponuja sonoelektrokemijski sistem, ki je preprost za uporabo ter ima prilagodljivo in prožno konfiguracijo. Ta sistem je primeren za splošne raziskave in razvoj ter optimizacijo procesov, pa tudi za proizvodnjo v srednjem merilu. Sonotrodo na napravi UIP2000hdT (2000 vatov, 20kHz) je mogoče uporabljati kot elektrodo v šaržnem sistemu ali pretočno s pretočno celico. Ima edinstveno zasnovo električne izolacije. Sonoelektrokemijska nadgradnja pretvornika ne zmanjšuje ultrazvočne moči.
Standardna sonotroda/elektroda je izdelana iz titana razreda 5 in zasnovana tako, da optimizira enakomernost ultrazvočne intenzitete vzdolž svoje bočne površine. Na voljo so tudi druge izvedbe in drugi materiali, kot so aluminij, jeklo ali nerjavno jeklo. Poseben reaktor s pretočno celico pri tej zasnovi ima aluminijasto ohišje, ki je električno izolirano s plastičnima priključkoma na obeh koncih. Aluminijasti profil se lahko uporablja kot poceni žrtvena elektroda in ga je mogoče preprosto zamenjati z drugimi materiali, kot so jeklo, nerjavno jeklo ali baker. Na voljo so tudi drugi premeri ali izvedbe celic. Celica na risbi ima med ultrazvočno elektrodo in ohišjem celice režo približno 2–4 mm. Zato ultrazvočni valovi povzročajo akustično tokovanje in kavitacijo tudi na ohišju celice. Vsi standardni elementi te zasnove so na voljo v naših skladiščih v Nemčiji in ZDA. Seveda lahko isti sistem uporabljate tudi za vse druge neelektrične ultrazvočne in sonokemijske procese. Ta sistem deluje tudi pri procesih, podprtih z ultrazvokom, z visokimi električnimi impulzi (HEP).

Napredne komponente industrijske kakovosti

Številne stranke uporabljajo UIP2000hdT za prehod od laboratorijskih preizkusov do proizvodnje. Vse naprave Hielscher so izdelane za neprekinjeno delovanje – 24h/7d/365d. UIP2000hdT je opremljen z zaslonom na dotik, vmesnikom Ethernet, beleženjem podatkov 24/7 na kartico SD v obliki CSV, združljivi z Excelom, in termočlenom za spremljanje temperature. UIP2000hdT lahko upravljate prek brskalnika. Na voljo je digitalni senzor tlaka, ki se priključi na UIP2000hdT. UIP2000hdT vam lahko prikaže dejansko neto izhodno moč na elektrodi. To je neto mehanska ultrazvočna moč v tekočini. Tako lahko spremljate in preverjate vsako sekundo sonikacije, na primer za nadzor ali optimizacijo procesa. Ultrazvočne naprave Hielscher zagotavljajo zelo reproducibilne in ponovljive rezultate. Svoje rezultate lahko linearno prenesete na proizvodno merilo. Seveda vam bo tehnična ekipa Hielscher pomagala pri zasnovi ustreznih poskusov, Hielscher pa bo z vami sodeloval pri vzpostavitvi delujočega procesa.

Ta sistem za sonoelektrokemijo izpolnjuje skoraj vse želje. Edino, kar bi si morda še želeli, je drugi UIP2000hdT kot druga elektroda.

Če se s to vejo kemije šele spoznavate, boste spodaj našli več informacij o sonokemiji, elektrokemiji in sonoelektrokemiji.

Sonokemija + elektrokemija = sonoelektrokemija

Sonoelektrokemija je kombinacija elektrokemije in sonokemije.

Elektrokemija

Elektrokemija fizikalni kemiji dodaja elektriko. Je napreden način aktiviranja reagentov ali reaktantov s prenosom elektronov. Omogoča ciljno usmerjene, selektivne kemijske pretvorbe. Elektrokemija je površinski pojav.

Sonokemija

Sonokemija kemijskim reakcijam dodaja akustično in kavitacijsko tokovanje ter aktivacijsko energijo. Najpomembnejši mehanizem v sonokemiji je kavitacija. Kolaps kavitacijskih mehurčkov v ultrazvočnem polju ustvarja lokalizirana vroča območja z ekstremnimi razmerami, kot so temperature nad 5000 kelvinov, tlaki do 1000 atmosfer in curki tekočine s hitrostjo do 1000 kilometrov na uro. To izboljšuje elektrokemijske reakcije na površini elektrod.
Preberite več o sonokemiji!

Sonoelektrokemija

Sonoelektrokemija združuje zgoraj omenjeni tehniki z uporabo ultrazvočne obdelave v elektrokemijskem sistemu. Ultrazvok vpliva na pomembne elektrokemijske parametre in učinkovitost kemijskih procesov. Prisotnost ultrazvoka močno izboljša elektrokemijsko raztopino ali hidrodinamiko elektroanalita v elektrokemijski celici. Sklopitev elektrode z ultrazvočnim rogom pozitivno vpliva na aktivnost površine elektrode in koncentracijski profil zvrsti elektroanalita v celotni celici. Sonomehanski učinki izboljšujejo prenos snovi elektrokemijskih zvrsti iz glavnine raztopine na elektroaktivno površino. Ultrazvočna elektroda zmanjšuje debelino difuzijske plasti na površini elektrode, povečuje debelino elektrodnega nanosa oziroma galvanske prevleke, povečuje hitrosti elektrokemijskih reakcij, izkoristke in učinkovitosti, povečuje poroznost in trdoto elektrodnega nanosa, izboljšuje odstranjevanje plinov iz elektrokemijskih raztopin; čisti in ponovno aktivira površino elektrode, z depasivacijo kovine in odstranjevanjem plinskih mehurčkov na površini elektrode (ki ju povzročata kavitacija in akustično tokovanje) zmanjšuje prenapetosti elektrode ter zavira nastajanje oblog na elektrodi. Uporaba sonoelektrokemije vključuje elektropolimerizacijo, elektrokoagulacijo, organsko elektrosintezo, elektrokemijo materialov, okoljsko elektrokemijo, elektroanalitsko kemijo, proizvodnjo vodika in elektrodno nanašanje.

Sonoelektrokemija v aplikacijah pretočne kemije

Če sonoelektrokemijske procese izvajate v pretočnem sistemu, lahko zadrževalni čas sonoelektrokemijskih reakcij prilagajate s spreminjanjem pretoka. Za večkratno izpostavitev lahko tekočino recirkulirate ali pa jo skozi celico prečrpate enkrat. Recirkulacija je lahko koristna za nadzor temperature, na primer s pretokom skozi toplotni izmenjevalnik za hlajenje ali segrevanje.
Če na izhodu reaktorja s sonoelektrokemijsko celico uporabljate protitlačni ventil, lahko povečate tlak v celici. Tlak v celici je zelo pomemben parameter za intenziviranje sonikacije in vplivanje na nastajanje plinskih faz. Pomemben je tudi pri delu z reaktanti ali produkti z nizkim vreliščem.
Delovanje v pretočnem načinu omogoča neprekinjeno obratovanje in s tem proizvodnjo večjih količin.
Če material teče med dvema elektrodama, na primer med sonotrodo in steno celice, lahko zmanjšate razdaljo med elektrodama. To omogoča boljši nadzor nad številom prenesenih elektronov in boljšo selektivnost reakcije. Tako lahko izboljšate natančnost, porazdelitev in izkoristek produkta.
Na splošno so lahko sonoelektrokemijske reakcije v sistemu z reaktorjem s pretočno celico veliko hitrejše od ustrezne reakcije v šaržnem procesu. Reakcije, ki lahko trajajo do več ur, je mogoče zaključiti v nekaj minutah, pri čemer nastane boljši produkt.

Literatura / reference

• 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.