Elektrosonikering – ultraljudselektroder

Elektrosonikering är en kombination av effekterna av elektricitet och effekterna av sonikering. Hielscher Ultrasonics har utvecklat en ny och elegant metod för att använda vilken sonotrod som helst som elektrod. Detta tillför ultraljudets effekt direkt vid gränsytan mellan ultraljudselektroden och vätskan. Där kan den främja elektrolys, förbättra massöverföringen och bryta upp gränsskikt eller avlagringar. Hielscher levererar utrustning av produktionsklass för elektrosonikeringsprocesser i satsvis drift och inline i alla skalor. Du kan kombinera elektrosonikering med manosonikering (tryck) och termosonikering (temperatur).

Användningsområden för ultraljudselektroder

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

Sonoelektrolys (ultraljudselektrolys)

Elektrolys är omvandlingen mellan atomer och joner genom att elektroner avlägsnas eller tillförs till följd av att en elektrisk ström tillförs. Produkterna från elektrolysen kan ha ett annat aggregationstillstånd 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. Omrörning av en elektrod med ultraljud kan bryta loss fasta avlagringar från elektrodytan. Avgasning med ultraljud bildar snabbt större gasbubblor av lösta gaser från mikrobubblor. Detta leder till en snabbare separation av de gasformiga produkterna från elektrolyten.

Ultraljudsenheten UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) som katod och/eller anod i en elektrolyscell

Ultraljudsförstärkt massöverföring vid elektrodytan

Under elektrolysen ansamlas produkterna nära elektroderna eller på elektrodytan. Omrörning med ultraljud är ett mycket effektivt verktyg för att öka massöverföringen vid gränsskikt. Denna effekt för färsk elektrolyt i kontakt med elektrodytan. Strömningen som orsakas av kavitationen transporterar bort elektrolysprodukter, såsom gaser eller fasta ämnen, från elektrodytan. Därmed förhindras den hämmande bildningen av isolerande skikt.

Ultraljudets effekter på sönderdelningspotentialen

Omrörning av anoden, katoden eller båda elektroderna med ultraljud kan påverka sönderdelningspotentialen eller sönderdelningsspänningen. Det är känt att enbart kavitation kan bryta sönder molekyler och producera fria radikaler eller ozon. Kombinationen av kavitation och elektrolys i en ultraljudsförstärkt elektrolys kan påverka den lägsta spänning som krävs mellan anoden och katoden i en elektrolyscell för att elektrolys ska ske. Kavitationens mekaniska och sonokemiska effekter kan också förbättra elektrolysens energieffektivitet.

Ultraljud vid elektrolytisk raffinering och elektrolytisk metallutvinning

Vid elektrolytisk raffinering kan fasta avlagringar av metaller, såsom koppar, omvandlas till en suspension av fasta partiklar i elektrolyten. Vid elektrolytisk metallutvinning, även kallad elektroextraktion, kan elektrolytisk utfällning av metaller ur deras malmer omvandlas till en fast fällning. Vanliga metaller som utvinns elektrolytiskt är bly, koppar, guld, silver, zink, aluminium, krom, kobolt, mangan samt sällsynta jordartsmetaller och alkalimetaller.
Ultraljudsbehandling är också en effektiv metod för lakning av malmer.

Sonoelektrolytisk rening av vätskor

Rena en vätska, t.ex. en vattenlösning som avloppsvatten, slam eller liknande, genom att leda lösningen genom det elektriska fältet mellan två elektroder! Elektrolys kan desinficera eller rena vattenlösningar. När en NaCI-lösning tillsammans med vatten leds genom eller över elektroder bildas Cl2 eller CIO2, som kan oxidera föroreningar och desinficera vattnet eller vattenlösningarna. Om vattnet innehåller tillräckligt med naturliga klorider behövs ingen tillsats.
Elektrodens ultraljudsvibrationer kan göra gränsskiktet mellan elektroden och vattnet så tunt som möjligt. Detta kan förbättra massöverföringen med många storleksordningar. Ultraljudsvibrationerna och kavitationen minskar avsevärt bildningen av mikroskopiska bubblor som orsakas av polarisation. Användningen av ultraljudselektroder för elektrolys förbättrar den elektrolytiska reningsprocessen avsevärt.

Sonoelektrokoagulering (ultraljudsassisterad elektrokoagulering)

Elektrokoagulering är en metod för avloppsvattenrening som avlägsnar föroreningar såsom emulgerad olja, totala petroleumkolväten, svårnedbrytbara organiska ämnen, suspenderade fasta ämnen och tungmetaller. Även radioaktiva joner kan avlägsnas vid vattenrening. Tillägg av ultraljudsbehandling till elektrokoagulering, även kallat sonoelektrokoagulering, har en positiv effekt på effektiviteten vid minskning av kemisk syreförbrukning eller grumlighet. Kombinerade behandlingsprocesser med elektrokoagulering har visat kraftigt förbättrad prestanda vid avlägsnande av föroreningar från industriellt avloppsvatten. Integrering av ett steg som producerar fria radikaler, såsom ultraljudskavitation, med elektrokoagulering visar synergier och förbättringar i den samlade reningsprocessen. Syftet med att använda dessa ultraljudselektrolytiska hybridsystem är att öka den totala behandlingseffektiviteten och eliminera nackdelarna med konventionella behandlingsprocesser. Hybridreaktorer som kombinerar ultraljud och elektrokoagulering har visats inaktivera Escherichia coli i vatten.

Ultraljudsenheten UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) som sonokatod och/eller sonoanod i en tank

Sonoelektrolytisk generering av reagenser eller reaktanter in situ

Många kemiska processer, såsom heterogena reaktioner eller katalys, gynnas av ultraljudsomrörning och ultraljudskavitation. Den sonokemiska påverkan kan öka reaktionshastigheten eller förbättra omvandlingsutbytet.
Elektroder som sätts i vibration med ultraljud tillför ett nytt kraftfullt verktyg för kemiska reaktioner. Nu kan du kombinera fördelarna med sonokemi med elektrolys. Producera vätgas, hydroxidjoner, hypoklorit och många andra joner eller neutrala ämnen direkt i ultraljudets kavitationsfält. Elektrolysprodukterna kan fungera som reagenser eller reaktanter i den kemiska reaktionen.

Kombination av ultraljud och pulserande elektriskt fält

Kombinationen av pulserande elektriskt fält (PEF) och ultraljud (US) har positiva effekter på extraktionen av fysikalisk-kemiska, bioaktiva föreningar och på extraktens kemiska struktur. Vid extraktion av mandlar har kombinerad behandling (PEF–US) gett de högsta nivåerna av totala fenolföreningar, totala flavonoider, kondenserade tanniner, antocyaninhalt och antioxidantaktivitet. Den minskade effekten och den metallkelaterande aktiviteten.
Ultraljud (US) och pulserande elektriskt fält (PEF) kan användas för att öka processeffektiviteten och produktionstakten i fermenteringsprocesser genom att förbättra massöverföringen och cellpermeabiliteten.
Kombinationen av pulserande elektriskt fält och ultraljudsbehandling påverkar lufttorkningens kinetik och kvaliteten hos torkade grönsaker, såsom morötter. Torktiden kan minskas med 20 till 40%, samtidigt som återhydreringsegenskaperna bibehålls.

Sonоelektrokemi / ultraljudsassisterad elektrokemi

Lägg till ultraljudsförstärkt elektrolys för att producera reaktanter eller förbruka produkter från kemiska reaktioner i syfte att förskjuta den kemiska reaktionens slutliga jämviktsläge eller ändra dess reaktionsväg.

Föreslagen uppställning av ultraljudselektroder

Den innovativa konstruktionen för ultraljudsapparater av sondtyp förvandlar en vanlig ultraljudssonotrod till en elektrod som vibrerar med ultraljud. Detta gör ultraljud för elektroder mer tillgängligt, enklare att integrera och lätt att skala upp till produktionsnivå. Andra konstruktioner satte endast elektrolyten mellan två icke-vibrerande elektroder i rörelse. Skuggning och ultraljudsvågornas utbredningsmönster ger sämre resultat jämfört med direkt vibration av elektroderna. Du kan tillföra ultraljudsvibrationer till anoder respektive katoder. Naturligtvis kan du när som helst ändra elektrodernas spänning och polaritet. Elektroder från Hielscher Ultrasonics är enkla att eftermontera i befintliga uppställningar.

Tätad sonoelektrolytisk cell och elektrokemiska reaktorer

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

Koncentrisk placering i en rörreaktor

Om den ultraljudsvibrerande elektroden befinner sig nära en andra, icke-vibrerande elektrod eller nära en reaktorvägg, fortplantar sig ultraljudsvågorna genom vätskan och verkar även på de andra ytorna. En ultraljudsvibrerande elektrod som är koncentriskt placerad i ett rör eller i en reaktor kan hålla innerväggarna fria från beläggningar eller ansamlat fast material.

Temperatur

När vanliga Hielscher-sonotroder används som elektroder kan elektrolytens temperatur 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 och temperatur kallas termosonikering.

Viskositet

Om elektrolytens viskositet hämmar masstransporten kan blandning genom ultraljudsomrörning under elektrolysen vara fördelaktig, eftersom den förbättrar transporten av material till och från elektroderna.

Sonoelektrolys med pulserande ström

Pulserande ström på de ultraljudsvibrerande elektroderna ger andra produkter än likström (DC). Till exempel kan pulserande ström öka förhållandet mellan ozon och syre som produceras vid anoden vid elektrolys av en sur vattenlösning, t.ex. utspädd svavelsyra. Elektrolys av etanol med pulsad ström producerar en aldehyd i stället för huvudsakligen en syra.

Utrustning för elektrosonikering

Hielscher Ultrasonics har utvecklat en särskild sonoelektrokemisk uppgradering för de industriella ultraljudsomvandlarna. Den uppgraderade omvandlaren fungerar med nästan alla typer av Hielscher-sonotroder.

Ultraljudselektroder (sonotroder)

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 isolationsavståndet mellan sonotroderna och jordkontakten är som standard 2,5 mm. Därför skulle du kunna lägga på upp till 2500 volt på sonotroden. Standardsonotroder är massiva och tillverkade av titan. Därför finns det nästan ingen begränsning av elektrodströmmen. Titan har god korrosionsbeständighet mot många alkaliska eller sura elektrolyter. Alternativa sonotrodmaterial, såsom aluminium (Al), stål (Fe), rostfritt stål, nickel-krom-molybden eller niob, är möjliga. Hielscher erbjuder kostnadseffektiva sonotroder som fungerar som offeranoder, t.ex. tillverkade av aluminium eller stål.

Ultraljudsgenerator, strömförsörjning

Ultraljudsgeneratorn behöver inte modifieras och använder ett vanligt jordat eluttag. Givarens horn och alla utvändiga ytor på givaren och generatorn är naturligtvis anslutna till eluttagets jord. Sonotroden och ett stödelement är de enda delarna som är anslutna till elektrodspänningen. Detta underlättar utformningen av uppställningen. Du kan ansluta sonotroden till likström (DC), pulserande likström eller växelström (AC). Ultraljudselektroder kan användas som anoder respektive katoder.

Produktionsutrustning för elektrosonikeringsprocesser

Du kan använda vilken ultraljudsenhet som helst från Hielscher, såsom UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT eller UIP4000hdT, för att koppla in upp till 4000 watt ultraljudseffekt i vilken standardsonotrod eller kaskatrod som helst. Ultraljudets ytintensitet på sonotrodytan kan vara mellan 1 watt och 100 watt per kvadratcentimeter. Olika sonotrodgeometrier med amplituder från 1 mikrometer till 150 mikrometer (topp–topp) finns tillgängliga. Ultraljudsfrekvensen på 20kHz är mycket effektiv för att alstra kavitation och akustisk strömning i elektrolyten. Hielschers ultraljudsenheter kan arbeta 24 timmar per dygn, sju dagar i veckan. Du kan köra kontinuerligt med full uteffekt eller i pulser, 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 som du kan ansluta till elektroderna.

En sak till: sonoelektrostatisk sprutning

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

Litteratur / referenser

• 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.