Sonoelektrokimia dhe përparësitë e saj

Këtu do të gjeni gjithçka që duhet të dini për elektrokiminë ultrasonike (sonoelektrokiminë): parimin e punës, zbatimet, përparësitë dhe pajisjet sonoelektrokimike – të gjitha informacionet përkatëse për sonoelektrokiminë në një faqe.

Pse të përdoren ultratingujt në elektrokimi?

Kombinimi i valëve ultrasonike me frekuencë të ulët dhe intensitet të lartë me sistemet elektrokimike sjell përfitime të shumta, të cilat përmirësojnë efikasitetin dhe shkallën e shndërrimit të reaksioneve elektrokimike.

Parimi i punës së ultratingujve

Për përpunim ultrasonik me performancë të lartë, ultratingujt me intensitet të lartë dhe frekuencë të ulët gjenerohen nga një gjenerator ultratingujsh dhe transmetohen në një lëng nëpërmjet një sonde ultrasonike (sonotrodë). Si ultratinguj me fuqi të lartë konsiderohen ultratingujt në intervalin 16–30kHz. Sonda ultrasonike zgjerohet dhe tkurret, për shembull, në 20kHz, duke transmetuar kështu përkatësisht 20 000 dridhje në sekondë në mjedis. Kur valët ultrasonike përhapen nëpër lëng, ciklet e alternuara të presionit të lartë (ngjeshje) / presionit të ulët (rrallim ose zgjerim) krijojnë flluska shumë të vogla vakumi ose zgavra, të cilat rriten gjatë disa cikleve të presionit. Gjatë fazës së ngjeshjes së lëngut dhe flluskave, presioni është pozitiv, ndërsa faza e rrallimit krijon vakum (presion negativ). Gjatë cikleve të ngjeshjes dhe zgjerimit, zgavrat në lëng rriten derisa arrijnë një madhësi në të cilën nuk mund të përthithin më energji. Në këtë pikë, ato shemben vrullshëm drejt brendësisë. Shembja e këtyre zgavrave shkakton efekte të ndryshme me energji shumë të lartë, të cilat njihen si dukuria e kavitacionit akustik / ultrasonik. Kavitacioni akustik karakterizohet nga efekte të shumta me energji shumë të lartë, të cilat ndikojnë te lëngjet, sistemet i ngurtë/lëng, si dhe sistemet gaz/lëng. Zona me dendësi të lartë energjie ose zona e kavitacionit njihet si e ashtuquajtura zonë e pikave të nxehta, ku dendësia e energjisë është më e larta në afërsi të drejtpërdrejtë të sondës ultrasonike dhe zvogëlohet me rritjen e largësisë nga sonotroda. Karakteristikat kryesore të kavitacionit ultrasonik përfshijnë temperatura dhe presione shumë të larta që shfaqen lokalisht dhe diferencat përkatëse të tyre, turbulencat dhe rrjedhjen e lëngut. Gjatë shembjes së zgavrave ultrasonike në pikat e nxehta ultrasonike, mund të maten temperatura deri në 5000 kelvin, presione deri në 200 atmosfera dhe rryma të përqendruara lëngu me shpejtësi deri në 1000km/h. Këto kushte të jashtëzakonshme me energji të lartë kontribuojnë në efekte sonomekanike dhe sonokimike që intensifikojnë sistemet elektrokimike në mënyra të ndryshme.

Efektet e ultratingujve në sistemet elektrokimike

Zbatimi i trajtimit me ultratinguj në reaksionet elektrokimike njihet për efekte të ndryshme mbi elektrodat, pra anodën dhe katodën, si dhe mbi tretësirën elektrolitike. Kavitacioni ultrasonik dhe rrjedhja akustike krijojnë mikrolëvizje të konsiderueshme, rryma goditëse lëngu dhe përzierje në fluidin e reaksionit. Kjo përmirëson hidrodinamikën dhe lëvizjen e përzierjes lëng/lëndë e ngurtë. Kavitacioni ultrasonik zvogëlon trashësinë efektive të shtresës së difuzionit pranë një elektrode. Një shtresë më e hollë difuzioni do të thotë se sonikimi minimizon ndryshimin e përqendrimit, pra ultratingujt nxisin përafrimin e përqendrimit në afërsi të një elektrode me vlerën e përqendrimit në masën e tretësirës. Ndikimi i përzierjes ultrasonike mbi gradientët e përqendrimit gjatë reaksionit siguron furnizimin e vazhdueshëm të elektrodës me tretësirë të freskët dhe largimin e materialit që ka reaguar. Kjo do të thotë se sonikimi përmirëson kinetikën e përgjithshme, duke përshpejtuar reaksionin dhe duke rritur rendimentin e tij.
Futja e energjisë ultrasonike në sistem, si dhe formimi sonokimik i radikaleve të lira, mund të nisin një reaksion elektrokimik që përndryshe do të kishte qenë elektrojoaktiv. 
Një tjetër efekt i rëndësishëm i dridhjeve dhe rrjedhjes akustike është pastrimi i sipërfaqeve të elektrodave. Shtresat pasivizuese dhe papastërtitë e grumbulluara në elektroda kufizojnë efikasitetin dhe shpejtësinë e reaksioneve elektrokimike. Trajtimi me ultratinguj i mban elektrodat vazhdimisht të pastra dhe plotësisht aktive për reaksionin.
Trajtimi me ultratinguj njihet mirë për efektet e tij të degazimit, të cilat janë gjithashtu të dobishme në reaksionet elektrokimike. Me largimin e gazeve të padëshiruara nga lëngu, reaksioni mund të zhvillohet më me efikasitet.

Zbatimet e sonoelektrokimisë

Sonoelektrokimia mund të zbatohet në procese të ndryshme dhe në industri të ndryshme. Zbatime shumë të zakonshme të sonoelektrokimisë përfshijnë sa vijon:

• Sinteza e nanogrimcave (elektrosinteza)
• Sinteza e hidrogjenit
• Elektrokoagulimi
• Trajtimi i ujërave të ndotura
• Prishja e emulsioneve
• Veshja galvanike / Elektrodepozitimi
• Ngrohja omike

Sinteza sonoelektrokimike e nanogrimcave

Trajtimi me ultratinguj është zbatuar me sukses për të sintetizuar nanogrimca të ndryshme në një sistem elektrokimik. Magnetiti, nanotubat e kadmiumit dhe selenit (CdSe), nanogrimcat e platinit (NPs), NPs të arit, magnezi metalik, bismuteni, nanoargjendi, bakri ultrai imët, nanogrimcat e aliazhit volfram–kobalt (W–Co), nanokompoziti i oksidit të samariumit/oksidit të reduktuar të grafenit, nanogrimcat e bakrit me madhësi nën 1nm të mbuluara me poli(acid akrilik) dhe shumë pluhura të tjerë me përmasa nanometrike janë prodhuar me sukses duke përdorur sonoelektrokiminë.
Përparësitë e sintezës sonoelektrokimike të nanogrimcave përfshijnë

• shmangien e agjentëve reduktues dhe të surfaktantëve
• përdorimin e ujit si tretës
• rregullimin e madhësisë së nanogrimcave duke ndryshuar parametrat (fuqinë ultrasonike, dendësinë e rrymës, potencialin e depozitimit dhe kohëzgjatjet e impulseve ultrasonike kundrejt atyre elektrokimike)

Ashasssi-Sorkhabi dhe Bagheri (2014) sintetizuan filma polipirroli në mënyrë sonoelektrokimike dhe i krahasuan rezultatet me filmat e polipirrolit të sintetizuar elektrokimikisht. Rezultatet tregojnë se sonoelektrodepozitimi galvanostatik prodhoi mbi çelik një film polipirroli (PPy) me ngjitje të fortë dhe sipërfaqe të lëmuar, me një dendësi rryme prej 4 mA cm–2 në tretësirë me 0,1 M acid oksalik/0,1 M pirrol. Duke përdorur polimerizimin sonoelektrokimik, ata përftuan filma PPy me rezistencë të lartë dhe qëndrueshmëri të madhe, me sipërfaqe të lëmuar. Është treguar se veshjet PPy të përgatitura me anë të sonoelektrokimisë i sigurojnë çelikut St-12 mbrojtje të konsiderueshme nga korrozioni. Veshja e sintetizuar ishte e njëtrajtshme dhe shfaqte rezistencë të lartë ndaj korrozionit. Të gjitha këto rezultate mund t’i atribuohen faktit se ultratingulli përmirësoi transferimin e masës së reaktantëve dhe shkaktoi shpejtësi të larta të reaksioneve kimike nëpërmjet kavitacionit akustik dhe temperaturave e trysnive të larta që rezultuan prej tij. Vlefshmëria e të dhënave të impedancës për ndërfaqen çelik St-12/dy veshje PPy/mjedise korrozive u kontrollua duke përdorur transformimet KK dhe u vërejtën gabime mesatare të ulëta.

Hass dhe Gedanken (2008) raportuan sintezën e suksesshme sonoelektrokimike të nanogrimcave të magnezit metalik. Rendimentet në procesin sonoelektrokimik të reagentit Gringard në tetrahidrofuran (THF) ose në një tretësirë dibutildiglime ishin përkatësisht 41,35% dhe 33,08%. Shtimi i AlCl3 në tretësirën Gringard e rriti ndjeshëm rendimentin, duke e çuar atë përkatësisht në 82,70% dhe 51,69% në THF ose dibutildiglimë.

Prodhimi sonoelektrokimik i hidrogjenit

Elektroliza e nxitur nga ultratingujt rrit ndjeshëm rendimentin e hidrogjenit nga uji ose tretësirat alkaline. Klikoni këtu për të lexuar më shumë rreth sintezës elektrolitike të hidrogjenit të përshpejtuar nga ultratingujt!

Elektrokoagulimi i ndihmuar nga ultratingujt

Zbatimi i ultratingujve me frekuencë të ulët në sistemet e elektrokoagulimit njihet si sonoelektrokoagulim. Studimet tregojnë se trajtimi me ultratinguj ndikon pozitivisht në elektrokoagulim, duke sjellë, për shembull, efikasitet më të lartë në largimin e hidroksideve të hekurit nga ujërat e ndotura. Ndikimi pozitiv i ultratingujve në elektrokoagulim shpjegohet me zvogëlimin e pasivizimit të elektrodave. Ultratingulli me frekuencë të ulët dhe intensitet të lartë shkatërron shtresën e ngurtë të depozituar dhe e largon atë me efikasitet, duke i mbajtur kështu elektrodat vazhdimisht plotësisht aktive. Për më tepër, ultratingujt aktivizojnë të dyja llojet e joneve, pra kationet dhe anionet, të pranishme në zonën e reaksionit të elektrodave. Përzierja me ultratinguj shkakton mikrolëvizje të fuqishme të tretësirës, duke sjellë lëndën e parë drejt elektrodave dhe duke larguar produktin prej tyre.
Shembuj të proceseve të suksesshme të sonoelektrokoagulimit janë reduktimi i Cr(VI) në Cr(III) në ujërat e ndotura farmaceutike, largimi i fosforit total nga rrjedhjet e industrisë së kimikateve të imëta me një efikasitet të largimit të fosforit prej 99,5% brenda 10 min., largimi i ngjyrës dhe i kërkesës kimike për oksigjen (COD) nga rrjedhjet e industrisë së pulpës dhe letrës etj. Efikasitetet e raportuara të largimit të ngjyrës, COD, Cr(VI), Cu(II) dhe P ishin përkatësisht 100%, 95%, 100%, 97,3% dhe 99,84%. (shih Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Degradimi sonoelektrokimik i ndotësve

Reaksionet elektrokimike të oksidimit dhe/ose reduktimit të nxitura nga ultratingujt zbatohen si një metodë e fuqishme për degradimin e ndotësve kimikë. Mekanizmat sonomekanikë dhe sonokimikë nxisin degradimin elektrokimik të ndotësve. Kavitacioni i gjeneruar nga ultratingujt shkakton agjitim intensiv, mikropërzierje, transferim të masës dhe largimin e shtresave pasivizuese nga elektrodat. Këto efekte të kavitacionit sjellin kryesisht përmirësimin e transferimit të masës ndërmjet fazës së ngurtë dhe asaj të lëngshme, midis elektrodave dhe tretësirës. Efektet sonokimike ndikojnë drejtpërdrejt te molekulat. Çarja homolitike e molekulave krijon oksidues shumë reaktivë. Në mjedise ujore dhe në prani të oksigjenit prodhohen radikale si HO•, HO2• dhe O•. Radikalet •OH njihen si të rëndësishme për zbërthimin efikas të materialeve organike. Në përgjithësi, degradimi sonoelektrokimik shfaq efikasitet të lartë dhe është i përshtatshëm për trajtimin e vëllimeve të mëdha të rrjedhave të ujërave të ndotura dhe të lëngjeve të tjera të ndotura.
Për shembull, Lllanos et al. (2016) zbuluan se u arrit një efekt i konsiderueshëm sinergjik për dezinfektimin e ujit kur sistemi elektrokimik u intensifikua përmes trajtimit me ultratinguj (dezinfektim sonoelektrokimik). U konstatua se kjo rritje e shpejtësisë së dezinfektimit lidhej me pakësimin e aglomerateve të qelizave E. coli, si dhe me një prodhim të shtuar të specieve dezinfektuese. Esclapez et al. (2010) treguan se, kur një reaktor sonoelektrokimik i projektuar posaçërisht (por jo i optimizuar) u përdor gjatë zmadhimit të shkallës së procesit të degradimit të acidit trikloroacetik (TCAA), prania e fushës së ultratingujve të gjeneruar me UIP1000hd dha rezultate më të mira (konvertim fraksional 97%, efikasitet degradimi 26%, selektivitet 0,92 dhe efikasitet të rrymës 8%) në intensitete më të ulëta të ultratingujve dhe prurje vëllimore më të ulëta. Duke marrë parasysh faktin se reaktori sonoelektrokimik i shkallës parapilote ende nuk ishte optimizuar, ka shumë të ngjarë që këto rezultate të mund të përmirësohen edhe më tej.

Voltametria me ultratinguj dhe elektrodepozitimi

Elektrodepozitimi u krye në mënyrë galvanostatike me një dendësi rryme prej 15 mA/cm2. Tretësirat iu nënshtruan trajtimit me ultratinguj për 5–60 minuta përpara elektrodepozitimit. Një aparat Hielscher UP200S me sondë për trajtim me ultratinguj u përdor me një kohë cikli prej 0,5. Trajtimi me ultratinguj u realizua duke zhytur sondën e ultratingujve drejtpërdrejt në tretësirë. Për të vlerësuar ndikimin e ultratingujve në tretësirë përpara elektrodepozitimit, u përdor voltametria ciklike (CV) për të zbuluar sjelljen e tretësirës dhe për të mundësuar parashikimin e kushteve ideale për elektrodepozitim. Vërehet se, kur tretësira i nënshtrohet trajtimit me ultratinguj përpara elektrodepozitimit, depozitimi fillon në vlera më pak negative të potencialit. Kjo do të thotë se, për të njëjtën rrymë në tretësirë, kërkohet një potencial më i ulët, pasi speciet në tretësirë sillen në mënyrë më aktive sesa në tretësirat e patrajtuara me ultratinguj. (shih Yurdal & Karahan 2017)
Lexoni më shumë rreth depozitimit sonoelektrokimik të veshjeve të përmirësuara me nanomateriale!

Sonda elektrokimike me performancë të lartë dhe SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics është partneri juaj me përvojë shumëvjeçare për sisteme me ultratinguj me performancë të lartë. Ne prodhojmë dhe shpërndajmë sonda dhe reaktorë me ultratinguj të teknologjisë më të përparuar, të cilët përdoren në mbarë botën për aplikime me ngarkesë të lartë në mjedise kërkuese. Për sonoelektrokiminë, Hielscher ka zhvilluar sonda të posaçme me ultratinguj, të cilat mund të veprojnë si katodë dhe/ose anodë, si dhe qeliza reaktori me ultratinguj të përshtatshme për reaksione elektrokimike. Elektrodat dhe qelizat me ultratinguj janë të disponueshme si për sisteme galvanike / voltaike, ashtu edhe për sisteme elektrolitike.

Amplituda të kontrollueshme me saktësi për rezultate optimale

Të gjithë procesorët ultrasonikë Hielscher mund të kontrollohen me saktësi dhe, për këtë arsye, janë mjete pune të besueshme në kërkim dhe zhvillim dhe në prodhim. Amplituda është një nga parametrat kyç të procesit që ndikojnë në efikasitetin dhe efektshmërinë e reaksioneve të induktuara sonokimikisht dhe sonomekanikisht. Të gjithë procesorët e Hielscher Ultrasonics mundësojnë caktimin e saktë të amplitudës. Procesorët ultrasonikë industrialë të Hielscher mund të japin amplituda shumë të larta dhe të sigurojnë intensitetin ultrasonik të nevojshëm për aplikime sonoelektrokimike kërkuese. Amplitudat deri në 200µm mund të mbahen lehtësisht në mënyrë të vazhdueshme gjatë funksionimit 24/7.
Caktimi i saktë i amplitudës dhe monitorimi i vazhdueshëm i parametrave të procesit ultrasonik përmes softuerit inteligjent ju japin mundësinë të ndikoni me saktësi në reaksionin sonoelektrokimik. Gjatë çdo cikli sonikimi, të gjithë parametrat ultrasonikë regjistrohen automatikisht në një kartë SD të integruar, në mënyrë që çdo cikël të mund të vlerësohet dhe kontrollohet. Sonikim optimal për reaksione sonoelektrokimike me efikasitetin më të lartë!
Të gjitha pajisjet janë ndërtuar për përdorim 24/7/365 me ngarkesë të plotë dhe qëndrueshmëria dhe besueshmëria e tyre i bëjnë ato mjete pune të palodhura në procesin tuaj elektrokimik. Kjo i bën pajisjet ultrasonike të Hielscher një mjet pune të besueshëm që përmbush kërkesat e procesit tuaj sonoelektrokimik.

Cilësia më e lartë – Projektuar dhe prodhuar në Gjermani

Si një biznes në pronësi dhe drejtim familjar, Hielscher u jep përparësi standardeve më të larta të cilësisë për procesorët e vet ultrasonikë. Të gjitha pajisjet ultrasonike projektohen, prodhohen dhe testohen me imtësi në selinë tonë në Teltow pranë Berlinit, Gjermani. Qëndrueshmëria dhe besueshmëria e pajisjeve ultrasonike të Hielscher i bëjnë ato mjete pune të palodhura në prodhimin tuaj. Funksionimi 24/7 me ngarkesë të plotë dhe në mjedise kërkuese është një karakteristikë e natyrshme e sondave dhe reaktorëve ultrasonikë me performancë të lartë të Hielscher.

Na kontaktoni tani dhe na tregoni për kërkesat e procesit tuaj elektrokimik! Ne do t’ju rekomandojmë elektrodat ultrasonike dhe konfigurimin e reaktorit më të përshtatshëm për ju!