Соноелектрохемија и њене предности

Овде ћете пронаћи све што треба да знате о ултразвучној електрохемији (соноелектрохемији): принцип рада, примене, предности и соноелектрохемијску опрему – све релевантне информације о соноелектрохемији на једној страници.

Зашто примењивати ултразвук у електрохемији?

Комбиновање ултразвучних таласа ниске фреквенције и високог интензитета са електрохемијским системима доноси бројне предности које побољшавају ефикасност и брзину конверзије у електрохемијским реакцијама.

Принцип рада ултразвука

За ултразвучну обраду високих перформанси, ултразвучни генератор ствара ултразвук високог интензитета и ниске фреквенције, који се преко ултразвучне сонде (сонотроде) преноси у течност. Ултразвуком велике снаге сматра се ултразвук у опсегу од 16–30kHz. Ултразвучна сонда се шири и скупља, нпр. при 20kHz, чиме у средину преноси 20.000 вибрација у секунди. Када се ултразвучни таласи простиру кроз течност, наизменични циклуси високог притиска (компресије) / ниског притиска (разређивања или експанзије) стварају сићушне вакуумске мехуриће или шупљине, које расту током више циклуса притиска. Током фазе компресије течности и мехурића, притисак је позитиван, док фаза разређивања ствара вакуум (негативан притисак). Током циклуса компресије и експанзије, шупљине у течности расту док не достигну величину при којој више не могу да апсорбују енергију. У том тренутку нагло имплодирају. Имплозија тих шупљина доводи до различитих високоенергетских ефеката, познатих као појава акустичне / ултразвучне кавитације. Акустичну кавитацију карактеришу бројни високоенергетски ефекти који утичу на течности, системе чврсто/течно, као и системе гас/течно. Зона високе густине енергије, односно кавитациона зона, позната је као такозвана зона врућих тачака, у којој је густина енергије највећа у непосредној близини ултразвучне сонде и опада са повећањем удаљености од сонотроде. Главне карактеристике ултразвучне кавитације обухватају локално настале веома високе температуре и притиске и одговарајуће разлике у температури и притиску, турбуленције и струјање течности. Током имплозије ултразвучних шупљина у ултразвучним врућим тачкама могу се измерити температуре до 5000 келвина, притисци до 200 атмосфера и млазеви течности брзине до 1000km/h. Ови изузетни услови високог енергетског интензитета доприносе сономеханичким и сонохемијским ефектима који на различите начине интензивирају електрохемијске системе.

Ефекти ултразвука на електрохемијске системе

Примена ултразвучне обраде на електрохемијске реакције позната је по различитим ефектима на електроде, тј. аноду и катоду, као и на раствор електролита. Ултразвучна кавитација и акустичко струјање стварају изражена микрокретања, ударне млазеве течности и мешање у реакционој течности. То доводи до побољшања хидродинамике и кретања смеше течне и чврсте фазе. Ултразвучна кавитација смањује ефективну дебљину дифузионог слоја на електроди. Смањен дифузиони слој значи да соникација своди разлику у концентрацији на најмању могућу меру, односно да ултразвук подстиче приближавање концентрације у близини електроде вредности концентрације у главнини раствора. Утицај ултразвучног мешања на градијенте концентрације током реакције обезбеђује непрекидно довођење свежег раствора до електроде и одвођење материјала који је реаговао. То значи да соникација побољшава укупну кинетику, убрзавајући реакцију и повећавајући њен принос.
Увођењем ултразвучне енергије у систем, као и сонохемијским стварањем слободних радикала, може се покренути електрохемијска реакција која би иначе била електрохемијски неактивна. Још један важан ефекат акустичких вибрација и струјања јесте чишћење површина електрода. Пасивирајући слојеви и наслаге на електродама ограничавају ефикасност и брзину електрохемијских реакција. Ултразвучна обрада одржава електроде непрекидно чистим и потпуно активним за реакцију. Ултразвучна обрада је добро позната по ефектима дегазације, који су корисни и у електрохемијским реакцијама. Уклањањем нежељених гасова из течности, реакција може да се одвија ефикасније.

Примене соноелектрохемије

Соноелектрохемија се може применити у различитим процесима и индустријским гранама. Веома честе примене соноелектрохемије обухватају следеће:

• Синтеза наночестица (електросинтеза)
• Синтеза водоника
• Електрокоагулација
• Пречишћавање отпадних вода
• Разбијање емулзија
• Галванско превлачење / Електроталожење
• Омско загревање

Соноелектрохемијска синтеза наночестица

Ултразвучна обрада успешно је примењена за синтезу различитих наночестица у електрохемијском систему. Магнетит, кадмијум-селен (CdSe) наноцеви, наночестице платине (NPs), наночестице злата, метални магнезијум, бизмутен, наносребро, ултрафини бакар, наночестице легуре волфрама и кобалта (W–Co), нанокомпозит самаријум-оксида и редукованог графен-оксида, наночестице бакра мање од 1nm обложене поли(акрилном киселином) и многи други прахови нанометарских димензија успешно су произведени применом соноелектрохемије.
Предности соноелектрохемијске синтезе наночестица обухватају

• избегавање употребе редукционих средстава и површински активних материја
• употребу воде као растварача
• подешавање величине наночестица променом параметара (ултразвучне снаге, густине струје, потенцијала таложења и трајања ултразвучних у односу на електрохемијске импулсе)

Ashasssi-Sorkhabi и Bagheri (2014) синтетисали су полипиролне филмове соноелектрохемијским поступком и упоредили резултате са електрохемијски синтетисаним полипиролним филмовима. Резултати показују да је галваностатским соноелектроталожењем добијен глатки полипиролни (PPy) филм који чврсто приања за челик, при густини струје од 4 mA cm–2 у раствору 0,1 M оксалне киселине/0,1 M пирола. Применом соноелектрохемијске полимеризације добили су високоотпорне и жилаве PPy филмове са глатком површином. Показано је да PPy превлаке припремљене соноелектрохемијским поступком пружају значајну заштиту челика St-12 од корозије. Синтетисана превлака била је уједначена и показала је високу отпорност на корозију. Сви ови резултати могу се приписати чињеници да је ултразвук побољшао пренос масе реактаната и довео до великих брзина хемијских реакција посредством акустичне кавитације и високих температура и притисака који из ње настају. Ваљаност података о импеданси за међуфазну границу челик St-12/две PPy превлаке/корозивне средине проверена је помоћу KK трансформација, при чему су уочене мале просечне грешке.

Hass и Gedanken (2008) известили су о успешној соноелектрохемијској синтези наночестица металног магнезијума. Ефикасности соноелектрохемијског процеса са реагенсом Gringard у тетрахидрофурану (THF), односно у раствору дибутилдиглима, износиле су 41,35% и 33,08%. Додавање AlCl3 у раствор реагенса Gringard драстично је повећало ефикасност, подижући је на 82,70% у THF, односно на 51,69% у дибутилдиглиму.

Соноелектрохемијска производња водоника

Електролиза потпомогнута ултразвуком значајно повећава принос водоника из воде или алкалних раствора. Кликните овде да прочитате више о електролитичкој синтези водоника убрзаној ултразвуком!

Електрокоагулација потпомогнута ултразвуком

Примена нискофреквентног ултразвука у електрокоагулационим системима позната је као соноелектрокоагулација. Истраживања показују да соникација позитивно утиче на електрокоагулацију, што, на пример, доводи до веће ефикасности уклањања хидроксида гвожђа из отпадних вода. Позитиван утицај ултразвука на електрокоагулацију објашњава се смањењем пасивације електрода. Нискофреквентни ултразвук високог интензитета разара наталожени чврсти слој и ефикасно га уклања, чиме електроде непрекидно одржава потпуно активним. Осим тога, ултразвук активира обе врсте јона, односно катјоне и анјоне, присутне у реакционој зони електрода. Ултразвучно мешање изазива интензивна микрокретања раствора, чиме се сировина доводи до електрода, а производ одводи од њих.
Примери успешних соноелектрокоагулационих процеса обухватају редукцију Cr(VI) у Cr(III) у фармацеутским отпадним водама, уклањање укупног фосфора из отпадних вода индустрије финих хемикалија са ефикасношћу уклањања фосфора од 99,5% у року од 10 мин., уклањање боје и COD из отпадних вода индустрије целулозе и папира итд. Пријављене ефикасности уклањања боје, COD, Cr(VI), Cu(II) и P износиле су 100%, 95%, 100%, 97,3% и 99,84%, редом. (уп. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Соноелектрохемијска разградња загађујућих материја

Ултразвучно потпомогнуте реакције електрохемијске оксидације и/или редукције примењују се као моћна метода за разградњу хемијских загађујућих материја. Сономеханички и сонохемијски механизми поспешују електрохемијску разградњу загађујућих материја. Ултразвучно генерисана кавитација доводи до интензивног мешања, микромешања, преноса масе и уклањања пасивирајућих слојева са електрода. Ови кавитациони ефекти првенствено побољшавају пренос масе између чврсте и течне фазе, односно између електрода и раствора. Сонохемијски ефекти директно делују на молекуле. Хомолитичким цепањем молекула настају високо реактивни оксиданси. У воденим срединама и у присуству кисеоника настају радикали као што су HO•, HO2• и O•. Познато је да су радикали •OH важни за ефикасно разлагање органских материјала. У целини, соноелектрохемијска разградња показује високу ефикасност и погодна је за обраду великих запремина токова отпадних вода и других загађених течности.
На пример, Lllanos и сар. (2016) утврдили су да су при дезинфекцији воде постигнути значајни синергистички ефекти када је електрохемијски систем интензивиран ултразвучном обрадом (соноелектрохемијска дезинфекција). Утврђено је да је ово повећање брзине дезинфекције повезано са сузбијањем агломерата ћелија E. coli, као и са повећаним стварањем хемијских врста са дезинфекционим дејством. Esclapez и сар. (2010) показали су да је током повећања размере процеса разградње трихлорсирћетне киселине (TCAA) коришћен посебно пројектован соноелектрохемијски реактор (који, међутим, није био оптимизован), при чему је присуство ултразвучног поља генерисаног помоћу уређаја UIP1000hd омогућило боље резултате (степен конверзије 97%, ефикасност разградње 26%, селективност 0,92 и струјна ефикасност 8%) при нижим интензитетима ултразвука и мањем запреминском протоку. С обзиром на то да соноелектрохемијски реактор предпилотске размере још није био оптимизован, веома је вероватно да се ови резултати могу додатно побољшати.

Ултразвучна волтаметрија и електроталожење

Електроталожење је спроведено галваностатски при густини струје од 15 mA/cm2. Раствори су пре електроталожења подвргнути ултразвучној обради у трајању од 5–60 минута. Уређај Hielscher UP200S за ултразвучну обраду са сондом коришћен је са временом циклуса од 0,5. Ултразвучна обрада је остварена директним урањањем ултразвучне сонде у раствор. Да би се проценио утицај ултразвука на раствор пре електроталожења, коришћена је циклична волтаметрија (CV) ради испитивања понашања раствора и предвиђања идеалних услова за електроталожење. Уочено је да, када се раствор пре електроталожења подвргне ултразвучној обради, таложење почиње при мање негативним вредностима потенцијала. То значи да је при истој струји у раствору потребан мањи потенцијал, јер су хемијске врсте у раствору активније него у растворима који нису подвргнути ултразвучној обради. (уп. Yurdal & Karahan 2017)
Прочитајте више о соноелектрохемијском таложењу превлака побољшаних наноматеријалима!

Електрохемијске сонде високих перформанси и SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics је ваш партнер са дугогодишњим искуством у области ултразвучних система високих перформанси. Производимо и дистрибуирамо најсавременије ултразвучне сонде и реакторе, који се широм света користе за примене са великим оптерећењем у захтевним окружењима. За соноелектрохемију, Hielscher је развио посебне ултразвучне сонде које могу да делују као катода и/или анода, као и ултразвучне реакторске ћелије погодне за електрохемијске реакције. Ултразвучне електроде и ћелије доступне су за галванске / волтине системе, као и за електролитичке системе.

Прецизно подесиве амплитуде за оптималне резултате

Сви ултразвучни процесори Hielscher могу се прецизно контролисати и стога су поуздане радне машине у истраживању и развоју и производњи. Амплитуда је један од кључних процесних параметара који утичу на ефикасност и делотворност сонохемијски и сономеханички изазваних реакција. Сви процесори Hielscher Ultrasonics омогућавају прецизно подешавање амплитуде. Индустријски ултразвучни процесори Hielscher могу да постигну веома високе амплитуде и обезбеде потребан интензитет ултразвука за захтевне соноелектрохемијске примене. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7.
Прецизно подешавање амплитуде и стално праћење параметара ултразвучног процеса помоћу паметног софтвера омогућавају вам да прецизно утичете на соноелектрохемијску реакцију. Током сваког циклуса соникације сви ултразвучни параметри аутоматски се бележе на уграђеној SD картици, тако да се сваки циклус може проценити и контролисати. Оптимална соникација за најефикасније соноелектрохемијске реакције!
Сва опрема је конструисана за употребу 24/7/365 под пуним оптерећењем, а њена робусност и поузданост чине је издржљивом радном машином у вашем електрохемијском процесу. То чини ултразвучну опрему Hielscher поузданим радним алатом који испуњава захтеве вашег соноелектрохемијског процеса.

Највиши квалитет – пројектовано и произведено у Немачкој

Као предузеће у породичном власништву којим управља породица, Hielscher даје приоритет највишим стандардима квалитета за своје ултразвучне процесоре. Сви ултразвучни уређаји пројектују се, производе и темељно испитују у нашем седишту у Телтову, у близини Берлина, у Немачкој. Робусност и поузданост ултразвучне опреме Hielscher чине је издржљивом радном машином у вашој производњи. Рад 24/7 под пуним оптерећењем и у захтевним условима природна је одлика ултразвучних сонди и реактора високих перформанси компаније Hielscher.

Контактирајте нас сада и реците нам који су захтеви вашег електрохемијског процеса! Препоручићемо вам најпогодније ултразвучне електроде и конфигурацију реактора!