Соно-електрохемија и њене предности

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

Зашто се ултразвук примењује у електрохемији?

Комбинација нискофреквентних ултразвучних таласа високог интензитета са електрохемијским системима долази са вишеструким предностима, које побољшавају ефикасност и стопу конверзије електрохемијских реакција.

Принцип рада ултразвука

За ултразвучну обраду високих перформанси, ултразвук високог интензитета, ниске фреквенције генерише ултразвучни генератор и преноси преко ултразвучне сонде (сонотроде) у течност. Ултразвук велике снаге сматра се ултразвуком у опсегу од 16-30кХз. Ултразвучна сонда се шири и скупља, на пример, на 20 кХз, преносећи на тај начин 20.000 вибрација у секунди у медијум. Када ултразвучни таласи путују кроз течност, наизменични циклуси високог притиска (компресија) / ниског притиска (разређивања или експанзије) стварају ситне вакуумске мехуриће или шупљине, које расту током неколико циклуса притиска. Током фазе компресије течности и мехурића, притисак је позитиван, док фаза разређивања ствара вакуум (негативни притисак). Током циклуса компресије-експанзије, шупљине у течности расту док не достигну величину при којој не могу да апсорбују више енергије. У овом тренутку, они насилно имплодирају. Имплозија тих шупљина резултира различитим високоенергетским ефектима, који су познати као феномен акустичне/ултразвучне кавитације. Акустичну кавитацију карактеришу вишеструки високоенергетски ефекти, који утичу на течности, чврсте/течне системе као и на системе гас/течност. Зона са густом енергијом или кавитациона зона позната је као такозвана зона врућих тачака, која је енергетски најгушћа у непосредној близини ултразвучне сонде и опада са повећањем удаљености од сонотроде. Главне карактеристике ултразвучне кавитације укључују локалне врло високе температуре и притиске и одговарајуће диференцијале, турбуленције и струјање течности. Током имплозије ултразвучних шупљина у ултразвучним жариштима, могу се мерити температуре до 5000 Келвина, притисци до 200 атмосфера и млазнице течности до 1000 км/х. Ови изузетни енергетски интензивни услови доприносе сономеханичким и сонохемијским ефектима који интензивирају електрохемијске системе на различите начине.

Ефекти ултразвука на електрохемијске системе

Примена ултразвучне обраде у електрохемијским реакцијама позната је по различитим ефектима на електроде, односно аноду и катоду, као и на електролитички раствор. Ултразвучна кавитација и акустично струјање стварају значајно микро-кретање, ударајући млазове течности и мешање у реакциону течност. Ово резултира побољшаном хидродинамиком и кретањем смеше течност/чврста материја. Ултразвучна кавитација смањује ефективну дебљину дифузионог слоја на електроди. Смањен дифузиони слој значи да ултразвучна обрада минимизира разлику у концентрацији, што значи да се конвергенција концентрације у близини електроде и вредности концентрације у расутом раствору унапређују ултразвучно. Утицај ултразвучне агитације на градијенте концентрације током реакције обезбеђује трајно довод свежег раствора на електроду и одношење реагованог материјала. То значи да је соникација побољшала укупну кинетику убрзавајући брзину реакције и повећавајући принос реакције.
Увођењем ултразвучне енергије у систем, као и сонохемијским стварањем слободних радикала, може се покренути електрохемијска реакција која би иначе била електронеактивна. Још један важан ефекат акустичне вибрације и струјања је ефекат чишћења на површини електрода. Пасивирајући слојеви и онечишћење на електродама ограничавају ефикасност и брзину реакције електрохемијских реакција. Ултрасоницатион одржава електроде трајно чистим и потпуно активним за реакцију. Ултразвук је добро познат по својим ефектима дегазације, који су такође корисни у електрохемијским реакцијама. Уклањањем нежељених гасова из течности, реакција може тећи ефикасније.

Примене соноелектрохемије

Соноелектрохемија се може применити на различите процесе иу различитим индустријама. Веома уобичајене примене соноелектрохемије укључују следеће:

• Синтеза наночестица (електросинтеза)
• синтеза водоника
• електрокоагулација
• Третман отпадних вода
• Разбијање емулзија
• Елецтроплатинг / Елецтродепоситион

Соно-електрохемијска синтеза наночестица

Ултразвук је успешно примењен за синтезу различитих наночестица у електрохемијском систему. Магнетит, наноцеви кадмијум-селен (ЦдСе), наночестице платине (НП), НП злата, метални магнезијум, бизмутен, нано-сребро, ултра фини бакар, наночестице легуре волфрам-кобалта (В–Цо), самарија/редуковани графокомпооксид , наночестице бакра покривене поли(акрилном киселином) суб-1нм и многи други прахови нано величине успешно су произведени коришћењем соноелектрохемије.
Предности соноелектрохемијске синтезе наночестица укључују

• избегавање редукционих агенаса и сурфактаната
• употреба воде као растварача
• подешавање величине наночестица различитим параметрима (ултразвучна снага, густина струје, потенцијал таложења и времена ултразвучног и електрохемијског импулса)

Асхасси-Соркхаби и Багхери (2014) синтетизовали су полипиролне филмове соноелектрохемијски и упоредили резултате са електрохемијски синтетизованим полипиролним филмовима. Резултати показују да је галваностатска соноелектродепозиција произвела јако приањајући и глатки полипирол (ППи) филм на челику, са густином струје од 4 мА цм–2 у 0,1 М раствору оксалне киселине/0,1 М пирола. Користећи соноелектрохемијску полимеризацију, добили су високоотпорне и чврсте ППи филмове са глатком површином. Показало се да ППи премази припремљени соноелектрохемијом пружају значајну заштиту од корозије Ст-12 челику. Синтетизовани премаз је био уједначен и показао је високу отпорност на корозију. Сви ови резултати се могу приписати чињеници да је ултразвук појачао пренос масе реактаната и изазвао високе брзине хемијских реакција путем акустичне кавитације и резултирајућих високих температура и притисака. Валидност података о импеданси за интерфејс Ст-12 челик/два ППи превлака/корозивни медијум је проверена коришћењем КК трансформација и уочене су ниске просечне грешке.

Хасс и Геданкен (2008) објавили су успешну соно-електрохемијску синтезу металних наночестица магнезијума. Ефикасност у соноелектрохемијском процесу Грингардовог реагенса у тетрахидрофурану (ТХФ) или у раствору дибутилдиглима износила је 41,35%, односно 33,08%. Додавање АлЦл3 у Грингардов раствор драматично је повећало ефикасност, подижући је на 82,70% и 51,69% у ТХФ-у или дибутилдиглиму, респективно.

Соно-електрохемијска производња водоника

Ултразвучно промовисана електролиза значајно повећава принос водоника из воде или алкалних раствора. Кликните овде да прочитате више о ултразвучно убрзаној електролитичкој синтези водоника!

Ултразвучна електрокоагулација

Примена ултразвука ниске фреквенције на електрокоагулационе системе је позната као соно-електрокоагулација. Студије показују да ултразвук утиче на електрокоагулацију позитивно што резултира, на пример, већом ефикасношћу уклањања хидроксида гвожђа из отпадних вода. Позитиван утицај ултразвука на електрокоагулацију објашњава се смањењем пасивације електрода. Нискофреквентни ултразвук високог интензитета уништава наталожени чврсти слој и ефикасно их уклања, чиме електроде одржавају континуирано потпуно активним. Штавише, ултразвук активира оба типа јона, тј. катјоне и ањоне, присутне у реакционој зони електрода. Ултразвучно мешање доводи до високог микропомерања раствора који уноси и преноси сировину и производ до и од електрода.
Примери успешних соно-електрокоагулационих процеса су редукција Цр(ВИ) у Цр(ИИИ) у фармацеутској отпадној води, уклањање укупног фосфора из ефлуента фине хемијске индустрије са ефикасношћу уклањања фосфора је 99,5% у року од 10 мин., уклањање боје и ЦОД из отпадних вода индустрије целулозе и папира итд. Пријављена ефикасност уклањања боје, ЦОД, Цр(ВИ), Цу(ИИ) и П била је 100%, 95%, 100%, 97,3% и 99,84% , редом. (уп. Ал-Кодах & Ал-Шанаг, 2018)

Соно-електрохемијска деградација загађивача

Реакције електрохемијске оксидације и/или редукције које се подстичу ултразвуком се примењују као моћна метода за разградњу хемијских загађивача. Сономеханички и сонохемијски механизми промовишу електрохемијску деградацију загађивача. Ултразвучно генерисана кавитација доводи до интензивног мешања, микро-мешања, преноса масе и уклањања пасивирајућих слојева са електрода. Ови кавитациони ефекти углавном резултирају побољшањем преноса масе чврста-течност између електрода и раствора. Сонохемијски ефекти директно утичу на молекуле. Хомолитичко цепање молекула ствара високо реактивне оксиданте. У воденим медијима иу присуству кисеоника настају радикали као што су ХО•, ХО2• и О•. • Познато је да су ОХ радикали важни за ефикасно разлагање органских материјала. Све у свему, соно-електрохемијска деградација показује високу ефикасност и погодна је за третман великих количина токова отпадних вода и других загађених течности.
На пример, Ллланос ет ал. (2016) су открили да је значајан синергистички ефекат постигнут за дезинфекцију воде када је електрохемијски систем интензивиран соникацијом (соно-електрохемијска дезинфекција). Утврђено је да је ово повећање стопе дезинфекције повезано са супресијом аголомерата ћелија Е. цоли, као и са повећаном производњом дезинфекционих врста. Есцлапез ет ал. (2010) су показали да је посебно дизајниран соноелектрохемијски реактор (иако није оптимизован) коришћен током повећања деградације трихлоросирћетне киселине (ТЦАА), присуство ултразвучног поља генерисаног са УИП1000хд даје боље резултате (фракциона конверзија 97%, ефикасност деградације 26%, селективност 0,92 и струјна ефикасност 8%) при нижим ултразвучним интензитетима и волуметријском протоку. С обзиром на чињеницу да пре-пилот соноелектрохемијски реактор још није оптимизован, врло је вероватно да се ови резултати могу додатно побољшати.

Ултразвучна волтаметрија и електродепозиција

Електроталожење је извршено галваностатички при густини струје од 15 мА/цм2. Раствори су подвргнути ултразвучној обради пре електродепозиције 5-60 минута. А Хиелсцхер Ултрасоникатор типа сонде УП200С је коришћен у времену циклуса од 0,5. Ултразвук је постигнут директним потапањем ултразвучне сонде у раствор. За процену ултразвучног утицаја на раствор пре електродепозиције, коришћена је циклична волтаметрија (ЦВ) да би се открило понашање раствора и омогућило предвиђање идеалних услова за електродепозицију. Примећено је да када се раствор подвргне ултразвучној обради пре електродепозиције, таложење почиње при мање негативним вредностима потенцијала. То значи да је при истој струји у раствору потребан мањи потенцијал, јер се врсте у раствору понашају активније него у неултразвукованим. (уп. Јурдал & Карахан 2017)

Електрохемијске сонде високих перформанси и СоноЕлецтроРеактори

Хиелсцхер Ултрасоницс је ваш дугогодишњи искусан партнер за ултразвучне системе високих перформанси. Производимо и дистрибуирамо најсавременије ултразвучне сонде и реакторе, који се користе широм света за тешке примене у захтевним окружењима. За соноелектрохемију, Хиелсцхер је развио специјалне ултразвучне сонде, које могу деловати као катода и/или анода, као и ултразвучне реакторске ћелије погодне за електрохемијске реакције. Ултразвучне електроде и ћелије су доступне за галванске/волтаичне као и за електролитичке системе.

Прецизно контролисане амплитуде за оптималне резултате

Сви Хиелсцхер ултразвучни процесори су прецизно контролисани и тиме поуздани радни коњи у Р&Д и производња. Амплитуда је један од кључних параметара процеса који утичу на ефикасност и ефективност сонохемијски и сономеханички изазваних реакција. Алл Хиелсцхер Ултрасоницс’ процесори омогућавају прецизно подешавање амплитуде. Хиелсцхер-ови индустријски ултразвучни процесори могу да испоруче веома високе амплитуде и испоруче потребан ултразвучни интензитет за захтевне соно-електрохемијске примене. Амплитуде до 200 µм могу се лако радити у континуитету у раду 24/7.
Прецизна подешавања амплитуде и трајно праћење параметара ултразвучног процеса путем паметног софтвера дају вам могућност да прецизно утичете на соноелектрохемијску реакцију. Током сваког испитивања ултразвуком, сви ултразвучни параметри се аутоматски снимају на уграђену СД картицу, тако да се свака серија може проценити и контролисати. Оптимална соникација за најефикасније соноелектрохемијске реакције!
Сва опрема је направљена за употребу 24/7/365 под пуним оптерећењем, а њена робусност и поузданост чине је радним коњем у вашем електрохемијском процесу. Ово чини Хиелсцхерову ултразвучну опрему поузданим радним алатом који испуњава ваше захтеве соноелектрохемијског процеса.

Највиши квалитет – Дизајниран и произведен у Немачкој

Као породично предузеће које је у породичном власништву, Хиелсцхер даје приоритет највишим стандардима квалитета за своје ултразвучне процесоре. Сви ултрасоникатори су дизајнирани, произведени и темељно тестирани у нашем седишту у Телтову близу Берлина, Немачка. Робусност и поузданост Хиелсцхерове ултразвучне опреме чине је радним коњем у вашој производњи. Рад 24/7 под пуним оптерећењем иу захтевним окружењима је природна карактеристика Хиелсцхерових ултразвучних сонди и реактора високих перформанси.

Контактирајте нас сада и реците нам о вашим захтевима за електрохемијски процес! Препоручићемо вам најпогодније ултразвучне електроде и подешавање реактора!