Elektro-ultraljudsbehandling – Ultraljud elektroder

Elektro-ultraljudsbehandling är kombinationen av effekterna av elektricitet med effekterna av ultraljudsbehandling. Hielscher Ultrasonics utvecklade en ny och elegant metod för att använda någon sonotrode som elektrod. Detta placerar kraften i ultraljud direkt vid gränssnittet mellan ultraljudselektrod och vätska. Där kan det främja elektrolys, förbättra massöverföringen och bryta gränsskikt eller avlagringar. Hielscher levererar utrustning av produktionskvalitet för elektrosonikeringsprocesser i batch- och inline-processer i vilken skala som helst. Du kan kombinera elektro-ultraljudsbehandling med mano-ultraljudsbehandling (tryck) och termo-ultraljudsbehandling (temperatur).

Tillämpningar med ultraljudselektroder

Tillämpningen av ultraljud på elektroder är en ny teknik med fördelar för många olika processer inom elektrolys, galvanisering, elektrorening, vätegenerering och elektrokoagulering, partikelsyntes eller andra elektrokemiska reaktioner. Hielscher Ultrasonics har ultraljudselektroder lätt tillgängliga för forskning och utveckling i laboratorieskala eller elektrolys i pilotskala. Efter att du har testat och optimerat din elektrolytiska process kan du använda Hielscher Ultrasonics ultraljudsutrustning i produktionsstorlek för att skala upp dina processresultat till industriella produktionsnivåer. Nedan hittar du förslag och rekommendationer för användning av ultraljudselektroder.

Sono-elektrolys (ultraljudselektrolys)

Elektrolys är utbyte av atomer och joner genom avlägsnande eller tillsats av elektroner till följd av applicering av en elektrisk ström. Produkterna av elektrolys kan ha ett annat fysikaliskt tillstånd än elektrolyten. Elektrolys kan producera fasta ämnen, såsom fällningar eller fasta skikt på någon av elektroderna. Alternativt kan elektrolys producera gaser, såsom väte, klor eller syre. Ultraljudsomrörning av en elektrod kan bryta fasta avlagringar från elektrodytan. Ultraljudsavgasning producerar snabbt större gasbubblor från upplösta gaser av mikrobubblor. Detta leder till en snabbare separation av de gasformiga produkterna från elektrolyten.

Ultraljud UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) som katod och/eller anod i en elektrolytisk cell

Ultraljudsförbättrad massöverföring vid elektrodytan

Under elektrolysprocessen ackumuleras produkterna nära elektroderna eller på elektrodytan. Ultraljudsomrörning är ett mycket effektivt verktyg för att öka massöverföringen vid gränsskikten. Denna effekt gör att ny elektrolyt kommer i kontakt med elektrodytan. Den kavitationella strömningen transporterar bort produkter från elektrolysen, såsom gaser eller fasta ämnen, från elektrodytan. Den hämmande bildningen av isolerande skikt förhindras därför.

Effekter av ultraljud på nedbrytningspotentialen

Ultraljudsomrörning av anoden, av katoden eller båda elektroderna kan påverka nedbrytningspotentialen eller nedbrytningsspänningen. Enbart kavitation är känt för att bryta molekyler, producera fria radikaler eller ozon. Kombinationen av kavitation med elektrolys i en ultraljudsförstärkt elektrolys kan påverka den minsta spänning som krävs mellan anod och katod i en elektrolytisk cell för att elektrolys ska inträffa. De mekaniska och sonokemiska effekterna av kavitation kan också förbättra elektrolysens energieffektivitet.

Ultraljud inom elektroraffinering och elektrowinning

I processen med elektroraffinering kan fasta avlagringar av metaller, såsom koppar, omvandlas till en suspension av fasta partiklar i elektrolyten. Vid elektrowinning, även kallad elektroextraktion, kan elektrodepositionen av metaller från deras malmer omvandlas till fast fällning. Vanliga elektrovunna metaller är bly, koppar, guld, silver, zink, aluminium, krom, kobolt, mangan och sällsynta jordartsmetaller och alkalimetaller. Ultraljud är också ett effektivt medel för urlakning av malmer.

Sono-elektrolytisk rening av vätskor

Rena en vätska, t.ex. en vattenlösning som avloppsvatten, slam eller liknande, genom att leda lösningen genom det elektriska fältet av två elektroder! Elektrolys kan desinficera eller rena vattenlösningar. Att mata en NaCI-lösning tillsammans med vatten genom elektroder eller över elektroder genererar Cl2 eller CIO2, som kan oxidera föroreningar och desinficera vattnet eller vattenlösningarna. Om vattnet innehåller tillräckligt med naturliga klorider finns det inget behov av tillsatsen.
Ultraljudsvibrationer från elektroden kan göra gränsskiktet mellan elektroden och vattnet så tunt som möjligt. Detta kan förbättra massöverföringen med många storleksordningar. Ultraljudsvibrationen och kavitationen minskar bildandet av mikroskopiska bubblor på grund av polarisering, avsevärt. Användningen av ultraljudselektroder för elektrolys förbättrar den elektrolytiska reningsprocessen avsevärt.

Sono-elektrokoagulation (ultraljud elektrokoagulering)

Elektrokoagulering är en avloppsreningsmetod för avlägsnande av föroreningar, såsom emulgerad olja, totala petroleumkolväten, eldfasta organiska ämnen, suspenderade fasta ämnen och tungmetaller. Radioaktiva joner kan också avlägsnas för vattenrening. Tillsatsen av ultraljudselektrokoagulering, även känd som sono-elektrokoagulering, har en positiv effekt på kemisk syreförbrukning eller effektivitet för avlägsnande av grumlighet. De kombinerade behandlingsprocesserna med elektrokoagulering har visat sig ha kraftigt förbättrade prestanda när det gäller att avlägsna föroreningar från industriellt avloppsvatten. Integreringen av ett steg som producerar fria radikaler, såsom ultraljudskavitation med elektrokoagulering, visar synergi och förbättringar i den övergripande rengöringsprocessen. Syftet med att använda dessa ultraljud-elektrolytiska hybridsystem är att öka den totala behandlingseffektiviteten och eliminera nackdelarna med konventionella behandlingsprocesser. Hybrida ultraljuds-elektrokoagulationsreaktorer har visat sig inaktivera Escherichia coli i vatten.

Ultraljud UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) som sono-katod och/eller sono-anod i en tank

Sono-elektrolytisk in-situ generering av reagenser eller reaktanter

Många kemiska processer, såsom heterogena reaktioner eller katalys, drar nytta av ultraljudsomagitation och ultraljudskavitation. Den sonokemiska påverkan kan öka reaktionshastigheten eller förbättra omvandlingsutbytet.
Ultraljudsomrörda elektroder tillför ett nytt kraftfullt verktyg för kemiska reaktioner. Nu kan du kombinera fördelarna med sonokemi med elektrolys. Producera väte, hydroxidjoner, hypoklorit och många andra joner eller neutrala material direkt i ultraljudskavitationsfältet. Produkterna av elektrolys kan fungera som reagenser eller som reaktanter till den kemiska reaktionen.

Kombination av ultraljud med pulserande elektriskt fält

Kombinationen av pulserande elektriska fält (PEF) och ultraljud (US) har positiva effekter för extraktionen av fysikalisk-kemiska, bioaktiva föreningar och den kemiska strukturen hos extrakt. Vid extraktion av mandel har kombinerad behandling (PEF-US) producerat de högsta nivåerna av totala fenoler, totala flavonoider, kondenserade tanniner, antocyanininnehåll och antioxidantaktivitet. Det minskade kraften och metallkelateringsaktiviteten.
Ultraljud (US) och pulserande elektriskt fält (PEF) kan användas för att förbättra processeffektiviteten och produktionshastigheten i jäsningsprocesser genom att förbättra massöverföringen och cellpermeabiliteten.
Kombinationen av pulserande elektriska fält och ultraljudsbehandling har en inverkan på lufttorkningskinetiken och kvaliteten på torkade grönsaker, såsom morötter. Torktiden kan minskas med 20 till 40 %, samtidigt som de återfuktande egenskaperna bibehålls.

Sono-elektrokemi / Ultraljud elektrokemi

Tillsätt ultraljudsförstärkt elektrolys för att producera reaktanter eller för att konsumera produkter från kemiska reaktioner för att flytta den slutliga jämvikten för den kemiska reaktionen eller för att ändra den kemiska reaktionsvägen.

Föreslagen installation av ultraljudselektroder

Den innovativa designen för ultraljudsapparater av sondtyp förvandlar en vanlig ultraljudssonotrode till en ultraljudsvibrerande elektrod. Detta gör ultraljud för elektroder mer tillgängligt, lättare att integrera och lätt skalbart till produktionsnivåer. Andra konstruktioner rörde endast om elektrolyten mellan två icke-omrörda elektroder. Skuggnings- och ultraljudsvågsutbredningsmönster ger sämre resultat jämfört med direkt elektrodomrörning. Du kan lägga till ultraljudsvibrationer till anoder respektive katoder. Naturligtvis kan du ändra spänningen och polariteten på elektroderna när som helst. Hielscher Ultrasonics elektroder är lätta att eftermontera på befintliga inställningar.

Förseglade sono-elektrolytiska cell- och elektrokemiska reaktorer

En trycktät tätning mellan ultraljudssonotrode (elektrod) och ett reaktorkärl finns tillgänglig. Därför kan du använda den elektrolytiska cellen vid annat än omgivningstryck. Kombinationen av ultraljud med tryck kallas mano-ultraljudsbehandling. Detta kan vara av intresse om elektrolysen producerar gaser, vid arbete vid högre temperaturer eller vid arbete med flyktiga flytande komponenter. En tätt tillsluten elektrokemisk reaktor kan arbeta vid tryck över eller under omgivningstryck. Tätningen mellan ultraljudselektroden och reaktorn kan göras elektriskt ledande eller isolerande. Det senare gör det möjligt att driva reaktorväggarna som en andra elektrod. Naturligtvis kan reaktorn ha inlopps- och utloppsportar för att fungera som en flödescellsreaktor för kontinuerliga processer. Hielscher Ultrasonics erbjuder en mängd standardiserade reaktorer och mantlade flödesceller. Alternativt kan du välja från en rad adaptrar för att passa Hielscher sonotrodes till din elektrokemiska reaktor.

Koncentriskt arrangemang i rörreaktor

Om den ultraljudsomrörda elektroden är nära en andra icke-omrörd elektrod eller nära en reaktorvägg, fortplantar sig ultraljudsvågorna genom vätskan och ultraljudsvågorna kommer att fungera på de andra ytorna också. En ultraljudsomrörd elektrod som är koncentriskt orienterad i ett rör eller i en reaktor kan hålla innerväggarna fria från nedsmutsning eller ackumulerade fasta ämnen.

temperatur

När du använder standard Hielscher sonotrodes som elektroder kan elektrolyttemperaturen vara mellan 0 och 80 grader Celsius. Sonotroder för andra elektrolyttemperaturer i intervallet från -273 grader Celsius till 500 grader Celsius finns tillgängliga på begäran. Kombinationen av ultraljud med temperatur kallas termo-ultraljudsbehandling.

viskositet

Om elektrolytens viskositet hämmar massöverföring, kan ultraljudsomrörning under elektrolys vara fördelaktigt eftersom det förbättrar överföringen av materialet till och från elektroderna.

Sono-elektrolys med pulserande ström

Pulserande ström på de ultraljudsomrörda elektroderna resulterar i produkter som skiljer sig från likström (DC). Till exempel kan pulserande ström öka förhållandet mellan ozon och syre som produceras vid anoden i elektrolys av en vattenhaltig sur lösning, t.ex. utspädd svavelsyra. Pulsströmselektrolys av etanol producerar en aldehyd istället för i första hand en syra.

Utrustning för elektrosonikering

Hielscher Ultrasonics utvecklade en speciell sonoelektrokemisk uppgradering för de industriella givarna. Den uppgraderade givaren fungerar med nästan alla typer av Hielscher sonotrodes.

Ultraljudselektroder (Sonotrodes)

Sonotroderna är elektriskt isolerade från ultraljudsgeneratorn. Därför kan du ansluta ultraljudssonotroden till en elektrisk spänning, så att sonotroden kan fungera som en elektrod. Det elektriska isoleringsgapet mellan sonotroderna och jordkontakten är 2,5 mm. Därför kan du applicera upp 2500 volt till sonotroden. Standard sonotroder är solida och gjorda av titan. Därför finns det nästan ingen begränsning av elektrodströmmen. Titan visar en god korrosionsbeständighet mot många alkaliska eller sura elektrolyter. Alternativa sonotrodematerial, såsom aluminium (Al), stål (Fe), rostfritt stål, nickel-krom-molybden eller niob är möjliga. Hielscher erbjuder kostnadseffektiva offeranonodsonotroder, t.ex. tillverkade av aluminium eller stål.

Ultraljudsgenerator, strömförsörjning

Ultraljudsgeneratorn behöver ingen modifiering och den använder ett vanligt eluttag med jord. Givarhornet och alla yttre ytor på givaren och generatorn är naturligtvis anslutna till jord från eluttaget. Sonotroden och ett stärkande element är de enda delarna som är anslutna till elektrodspänningen. Detta underlättar utformningen av installationen. Du kan ansluta ekolodet till likström (DC), pulserande likström eller växelström (AC). Ultraljudselektroder kan användas som anoder respektive katoder.

Produktionsutrustning för elektro-ultraljudsprocesser

Du kan använda vilken Hielscher ultraljudsenhet som helst, till exempel UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT eller UIP4000hdT för att koppla upp till 4000 watt ultraljudseffekt till någon standard sonotrode eller kaskadod. Ultraljudsytintensiteten på sonotrode-ytan kan vara mellan 1 watt och 100 watt watt per kvadratcentimeter. Olika sonotrode geometrier med amplituder från 1 mikron till 150 mikron (topp-topp) finns tillgängliga. Ultraljudsfrekvensen på 20 kHz är mycket effektiv vid generering av kavitation och akustisk strömning i elektrolyten. Hielscher ultraljudsapparater kan fungera 24 timmar om dygnet, sju dagar i veckan. Du kan arbeta kontinuerligt med full effekt eller pulsera, t.ex. för periodisk rengöring av elektroderna. Hielscher Ultrasonics kan leverera ultraljudselektroder med upp till 16 kilowatt ultraljudseffekt (mekanisk omrörning) per enskild elektrod. Det finns nästan ingen gräns för den elektriska effekt du kan ansluta till elektroderna.

En sak till: Sono-elektrostatisk sprutning

Hielscher Ultrasonics tillverkar utrustning för sprutning, nebulisering, finfördelning eller aerosolysering av vätskor. Ultraljudssprutningen sonotrode kan ge vätskedimman eller aerosolerna en positiv laddning. Detta kombinerar ultraljudssprutning med elektrostatisk sprutningsteknik, t.ex. för beläggningsprocesser.