Електросоникација – Ултразвучне електроде

Електросоникација је комбинација дејства електричне енергије и дејства соникације. Hielscher Ultrasonics је развио нову и елегантну методу за употребу било које сонотроде као електроде. Тиме се снага ултразвука доводи директно на границу између ултразвучне електроде и течности. Ту може да подстакне електролизу, побољша пренос масе и разбије граничне слојеве или наслаге. Hielscher испоручује опрему производног квалитета за електросоникацију у шаржним и проточним процесима било ког обима. Електросоникацију можете комбиновати са маносоникацијом (притисак) и термосоникацијом (температура).

Примене ултразвучних електрода

Примена ултразвука на електроде представља нову технологију која доноси користи многим различитим процесима електролизе, галванизације, електропречишћавања, производње водоника и електрокоагулације, синтезе честица или других електрохемијских реакција. Hielscher Ultrasonics има лако доступне ултразвучне електроде за истраживање и развој у електролизи лабораторијског или пилотског обима. Након што испитате и оптимизујете свој електролитички процес, можете користити ултразвучну опрему производних размера компаније Hielscher Ultrasonics да резултате свог процеса пренесете на ниво индустријске производње. У наставку ћете пронаћи предлоге и препоруке за употребу ултразвучних електрода.

Соноелектролиза (ултразвучна електролиза)

Електролиза је претварање атома у јоне и обрнуто одузимањем или додавањем електрона услед примене електричне струје. Производи електролизе могу имати другачије агрегатно стање од електролита. Електролизом могу настати чврсте материје, као што су талози или чврсти слојеви на било којој од електрода. Алтернативно, електролизом могу настати гасови, као што су водоник, хлор или кисеоник. Ултразвучно побуђивање електроде може одвојити чврсте наслаге од површине електроде. Ултразвучно дегазирање брзо ствара веће мехуриће гаса из растворених гасова микромехурића. То доводи до бржег одвајања гасовитих производа од електролита.

Ултразвучни UIP2000hdT (2000 вати, 20kHz) као катода и/или анода у електролитичкој ћелији

Ултразвучно побољшан пренос масе на површини електроде

Током процеса електролизе, производи се накупљају у близини електрода или на површини електроде. Ултразвучно побуђивање је веома делотворно средство за повећање преноса масе у граничним слојевима. Овај ефекат доводи свеж електролит у контакт са површином електроде. Кавитационо струјање односи производе електролизе, као што су гасови или чврсте материје, са површине електроде. Тиме се спречава стварање изолационих слојева који ометају процес.

Утицаји ултразвука на потенцијал разлагања

Ултразвучно побуђивање аноде, катоде или обе електроде може утицати на потенцијал разлагања или напон разлагања. Познато је да сама кавитација разграђује молекуле, ствара слободне радикале или озон. Комбинација кавитације и електролизе у ултразвучно побољшаној електролизи може утицати на минимални потребни напон између аноде и катоде електролитичке ћелије да би дошло до електролизе. Механички и сонохемијски ефекти кавитације такође могу побољшати енергетску ефикасност електролизе.

Ултразвук у електрорафинацији и електроекстракцији

У процесу електрорафинације, чврсте наслаге метала, као што је бакар, могу се претворити у суспензију чврстих честица у електролиту. При електролитичком добијању метала, које се назива и електроекстракција, електроталожење метала из њихових руда може се претворити у чврст талог. Метали који се уобичајено добијају електроекстракцијом јесу олово, бакар, злато, сребро, цинк, алуминијум, хром, кобалт, манган, као и метали ретких земаља и алкални метали.
Ултразвучни третман је такође делотворно средство за лужење руда.

Соноелектролитичко пречишћавање течности

Пречистите течност, нпр. водени раствор попут отпадне воде, муља или сличног, пропуштањем раствора кроз електрично поље двеју електрода! Електролиза може да дезинфикује или пречисти водене растворе. Довођењем раствора NaCI заједно са водом кроз електроде или преко електрода настају Cl2 или CIO2, који могу да оксидују нечистоће и дезинфикују воду или водене растворе. Ако вода садржи довољно природних хлорида, нема потребе за додавањем.
Ултразвучне вибрације електроде могу да учине гранични слој између електроде и воде што тањим. То може да побољша пренос масе за много редова величине. Ултразвучне вибрације и кавитација знатно смањују стварање микроскопских мехурића услед поларизације. Употреба ултразвучних електрода за електролизу знатно побољшава процес електролитичког пречишћавања.

Соноелектрокоагулација (ултразвучна електрокоагулација)

Електрокоагулација је метода пречишћавања отпадних вода за уклањање загађујућих материја, као што су емулговано уље, укупни нафтни угљоводоници, тешко разградиве органске материје, суспендоване чврсте материје и тешки метали. Ради пречишћавања воде могу се уклонити и радиоактивни јони. Додавање ултразвучне обраде електрокоагулацији, познато и као соноелектрокоагулација, позитивно утиче на хемијску потрошњу кисеоника или ефикасност уклањања мутноће. Комбиновани поступци пречишћавања који укључују електрокоагулацију показали су знатно боље резултате у уклањању загађујућих материја из индустријских отпадних вода. Интеграција корака који ствара слободне радикале, као што је ултразвучна кавитација, са електрокоагулацијом показује синергију и побољшања у целокупном процесу пречишћавања. Сврха примене ових хибридних ултразвучно-електролитичких система јесте повећање укупне ефикасности пречишћавања и отклањање недостатака конвенционалних поступака пречишћавања. Показано је да хибридни реактори који комбинују ултразвук и електрокоагулацију инактивирају Escherichia coli у води.

Ултразвучни UIP2000hdT (2000 вати, 20kHz) као сонокатода и/или соноанода у резервоару

Соноелектролитичко стварање реагенаса или реактаната на месту

Многи хемијски процеси, као што су хетерогене реакције или катализа, имају користи од ултразвучног мешања и ултразвучне кавитације. Сонохемијско дејство може да повећа брзину реакције или побољша приносе конверзије.
Електроде које вибрирају под дејством ултразвука представљају ново моћно средство за хемијске реакције. Сада можете да комбинујете предности сонохемије са електролизом. Производите водоник, хидроксидне јоне, хипохлорит и многе друге јоне или неутралне материје директно у пољу ултразвучне кавитације. Производи електролизе могу да делују као реагенси или као реактанти у хемијској реакцији.

Комбинација ултразвука са пулсним електричним пољем

Комбинација пулсног електричног поља (PEF) и ултразвука (US) има позитивне ефекте на екстракцију физичкохемијских, биоактивних једињења и хемијску структуру екстраката. При екстракцији бадема, комбинована обрада (PEF–US) дала је највише нивое укупних фенолних једињења, укупних флавоноида, кондензованих танина, садржаја антоцијана и антиоксидативне активности. Смањила је снагу и активност хелирања метала.
Ултразвук (US) и пулсно електрично поље (PEF) могу се применити за повећање ефикасности процеса и брзине производње у процесима ферментације побољшањем преноса масе и пропустљивости ћелија.
Комбинација обраде пулсним електричним пољем и ултразвуком утиче на кинетику сушења ваздухом и квалитет осушеног поврћа, као што је шаргарепа. Време сушења може се скратити за 20 до 40%, уз очување својстава рехидратације.

Соноелектрохемија / ултразвучна електрохемија

Уведите електролизу побољшану ултразвуком ради производње реактаната или трошења производа хемијских реакција како бисте померили коначну равнотежу хемијске реакције или изменили пут њеног одвијања.

Предложена поставка ултразвучних електрода

Иновативни дизајн ултразвучних уређаја са сондом претвара стандардну ултразвучну сонотроду у електроду која вибрира ултразвучно. Тиме примена ултразвука на електроде постаје доступнија, лакша за интеграцију и лако се може проширити на производни ниво. Друга конструкциона решења побуђивала су само електролит између две електроде које нису биле побуђиване. Засенчење и обрасци простирања ултразвучних таласа дају лошије резултате у поређењу са директним побуђивањем електрода. Ултразвучне вибрације можете применити на аноде или катоде. Наравно, напон и поларитет електрода можете променити у било ком тренутку. Електроде компаније Hielscher Ultrasonics лако се накнадно уграђују у постојеће поставке.

Заптивена соноелектролитичка ћелија и електрохемијски реактори

Доступна је заптивка отпорна на притисак између ултразвучне сонотроде (електроде) и реакторске посуде. Стога електролитичку ћелију можете користити при притиску различитом од притиска околине. Комбинација ултразвука и притиска назива се маносоникација. То може бити од значаја ако се електролизом стварају гасови, при раду на вишим температурама или при раду са испарљивим течним компонентама. Чврсто заптивен електрохемијски реактор може радити при притисцима изнад или испод притиска околине. Заптивка између ултразвучне електроде и реактора може бити електрично проводна или изолациона. Ова друга могућност омогућава да зидови реактора служе као друга електрода. Наравно, реактор може имати улазне и излазне прикључке како би служио као реактор са проточном ћелијом за континуалне процесе. Hielscher Ultrasonics нуди разноврсне стандардизоване реакторе и проточне ћелије са плаштом. Алтернативно, можете одабрати неки од различитих адаптера за уградњу Hielscher сонотрода у ваш електрохемијски реактор.

Концентрични распоред у цевном реактору

Ако се ултразвучно побуђивана електрода налази близу друге електроде која није побуђивана или близу зида реактора, ултразвучни таласи се простиру кроз течност и делују и на друге површине. Ултразвучно побуђивана електрода која је концентрично постављена у цеви или реактору може одржавати унутрашње зидове без наслага или нагомиланих чврстих материја.

Температура

При коришћењу стандардних Hielscher сонотрода као електрода, температура електролита може бити између 0 и 80 степени Целзијуса. Сонотроде за друге температуре електролита у опсегу од -273 степена Целзијуса до 500 степени Целзијуса доступне су на захтев. Комбинација ултразвука и температуре назива се термосоникација.

Вискозност

Ако вискозност електролита отежава пренос масе, мешање ултразвучним побуђивањем током електролизе могло би бити корисно јер побољшава пренос материјала ка електродама и од њих.

Соноелектролиза са пулсирајућом струјом

Пулсирајућа струја на ултразвучно побуђиваним електродама даје производе различите од оних добијених једносмерном струјом (DC). На пример, пулсирајућа струја може повећати однос озона према кисеонику који настају на аноди при електролизи воденог киселог раствора, нпр. разблажене сумпорне киселине. Електролиза етанола импулсном струјом даје алдехид уместо првенствено киселине.

Опрема за електросоникацију

Hielscher Ultrasonics је развио посебну соноелектрохемијску надоградњу за индустријске претвараче. Надограђени претварач ради са готово свим типовима Hielscher сонотрода.

Ултразвучне електроде (сонотроде)

Сонотроде су електрично изоловане од ултразвучног генератора. Зато можете прикључити ултразвучну сонотроду на електрични напон како би могла да делује као електрода. Стандардни електроизолациони размак између сонотрода и контакта за уземљење износи 2,5 mm. Зато бисте на сонотроду могли да доведете напон до 2500 волти. Стандардне сонотроде су пуне и израђене од титанијума. Због тога готово да нема ограничења јачине струје кроз електроду. Титанијум показује добру отпорност на корозију у многим алкалним или киселим електролитима. Могућа је употреба и других материјала за сонотроде, као што су алуминијум (Al), челик (Fe), нерђајући челик, легура никла, хрома и молибдена или ниобијум. Hielscher нуди економичне сонотроде које служе као жртвене аноде, нпр. израђене од алуминијума или челика.

Ултразвучни генератор, напајање

Ултразвучни генератор не захтева никакве измене и користи стандардну електричну утичницу са уземљењем. Концентратор претварача и све спољашње површине претварача и генератора су, наравно, повезани са уземљењем утичнице. Сонотрода и потпорни елемент су једини делови прикључени на напон електроде. То олакшава пројектовање поставке. Сонотроду можете прикључити на једносмерну струју (DC), пулсирајућу једносмерну струју или наизменичну струју (AC). Ултразвучне електроде могу да раде као аноде, односно катоде.

Производна опрема за процесе електросоникације

Можете користити било који Hielscher ултразвучни уређај, као што су UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT или UIP4000hdT, за пренос до 4000 вати ултразвучне снаге на било коју стандардну сонотроду или каскатроду. Површински интензитет ултразвука на површини сонотроде може бити од 1 вата до 100 вати по квадратном центиметру. Доступне су сонотроде различитих геометрија са амплитудама од 1 микрона до 150 микрона (од врха до врха). Ултразвучна фреквенција од 20kHz веома је ефикасна за стварање кавитације и акустичног струјања у електролиту. Hielscher ултразвучни уређаји могу да раде 24 сата дневно, седам дана у недељи. Можете радити непрекидно при пуној излазној снази или пулсно, нпр. ради периодичног чишћења електрода. Hielscher Ultrasonics може да испоручи ултразвучне електроде са ултразвучном снагом до 16 киловата (механичко побуђивање) по појединачној електроди. Готово да нема ограничења електричне снаге коју можете довести на електроде.

Још нешто: соноелектростатичко распршивање

Hielscher Ultrasonics производи опрему за прскање, небулизацију, атомизацију или аеросолизацију течности. Сонотрода за ултразвучно распршивање може течној магли или аеросолима дати позитивно наелектрисање. Тиме се ултразвучно распршивање комбинује са технологијом електростатичког распршивања, нпр. за поступке наношења превлака.

Литература / Референце

• 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.