Sono-Elektrokemi och dess Fördelar

Varför tillämpa Ultrasonics till elektrokemi?

Kombinationen av lågfrekventa, högintensiva ultraljudsvågor med elektrokemiska system kommer med många fördelar, som förbättrar effektiviteten och omvandlingshastigheten för elektrokemiska reaktioner.

Arbetsprincipen för Ultrasonics

För högpresterande ultraljud bearbetning, högintensiva, lågfrekventa ultraljud genereras av en ultraljud generator och överförs via en ultraljudssond (sonotrode) i en vätska. Högeffektsultraljud anses vara ultraljud i intervallet 16-30kHz. Ultraljudssonden expanderar och kontrakt e.g., på 20kHz, överför därmed 20.000 vibrationer per sekund in i mediet. När ultraljudsvågorna färdas genom vätskan, växlande högtryck (kompression) / lågtrycks (rarefaction eller expansion) cykler skapa minut vakuum bubblor eller håligheter, som växer under flera tryck cykler. Under kompressionsfasen av vätskan och bubblorna är trycket positivt, medan rarefaction-fasen ger ett vakuum (undertryck). Under kompression-expansionscyklerna växer håligheterna i vätskan tills de når en storlek, vid vilken de inte kan absorbera mer energi. Vid denna punkt, imploderar de våldsamt. Implosionen av dessa håligheter resulterar i olika mycket energiska effekter, som är kända som fenomenet akustisk / ultraljud kavitation. Akustisk kavitation kännetecknas av grenrör mycket energisk effekter, som påverkar vätskor, fasta / flytande system samt gas / flytande system. Den energitäta zonen eller cavitational zonen är känd som så kallade hot-spot zon, som är mest energitäta i närheten av ultraljud sonden och minskar med ökande avstånd från sonotrode. De viktigaste egenskaperna hos ultraljud kavitation inkluderar lokalt förekommande mycket höga temperaturer och tryck och respektive differentialer, turbulenser, och flytande streaming. Under implosion av ultraljud håligheter i ultraljud hot-spots, temperaturer på upp till 5000 Kelvin, tryck på upp till 200 atmosfärer och flytande jetplan med upp till 1000km / h kan mätas. Dessa enastående energi-intensiva förhållanden bidrar till sonomekaniska och sonochemical effekter som intensifierar elektrokemiska system på olika sätt.

Effekterna av Ultrasonics på elektrokemiska system

Tillämpningen av ultraljud på elektrokemiska reaktioner är känd för olika effekter på elektroderna, dvs anod och katod, samt den elektrolytiska lösningen. Ultraljud kavitation och akustisk streaming generera betydande mikro-rörelse, vilket innebär flytande jets och agitation i reaktionsvätskan. Detta resulterar i förbättrad hydrodynamik och rörelse av den flytande/fasta blandningen. Ultraljud kavitation minskar effektiv tjocklek av diffusionsskiktet vid en elektrod. Ett reducerat diffusionsskikt innebär att ultraljudsbehandling minimerar koncentrationsskillnaden, vilket innebär att konvergensen av koncentrationen i närheten av en elektrod och koncentrationsvärdet i bulklösningen främjas ultraljud. Påverkan av ultraljud agitation på koncentrationsgradienterna under reaktionen säkerställer permanent utfodring av färsk lösning på elektroden och carting bort av reagerat material. Detta innebär ultraljudsbehandling förbättrat den totala kinetik accelererande reaktionshastighet och öka reaktion avkastning.
Genom införandet av ultraljudsenergi i systemet samt den sonokemiska bildandet av fria radikaler, elektrokemisk reaktion, som annars skulle ha varit elektroinaktiva, kan initieras. 
En annan viktig effekt av akustisk vibration och strömning är rengöringseffekten på elektrodytorna. Att passivera skikt och påväxt vid elektroderna begränsar elektrokemiska reaktionernas effektivitet och reaktionshastighet. Ultraljud håller elektroderna permanent rena och fullt aktiva för reaktion. Ultraljud är välkänt för sina avgasningseffekter, som är fördelaktiga i elektrokemiska reaktioner också. Ta bort oönskade gaser från vätskan, reaktionen kan köra mer effektiva.

Tillämpningar av Sonoelektrokemi

Sonoelektrokemi kan tillämpas på olika processer och i olika branscher. Mycket vanliga tillämpningar av sonoelektrokemi inkluderar följande:

• Nanopartikelsyntes (elektrosyntes)
• Vätesyntes
• Elektrokoagulering
• Rening av avloppsvatten
• Bryta emulsioner
• Elektroplädring / Elektrodeposition

Sono-elektrokemisk syntes av nanopartiklar

Ultraljud tillämpades framgångsrikt på syntetisera olika nanopartiklar i ett elektrokemiskt system. Magnetit, kadmium-selen (CdSe) nanorör, platinananopartiklar (NPs), guld-NPs, metalliskt magnesium, bismuthene, nano-silver, ultra-fin koppar, volfram–kobolt (W–Co) legering nanopartiklar, samaria/reducerad grafenoxid nanokomposit, sub-1nm poly(akrylsyra)-utjämnade koppar nanopartiklar och många andra nano-sized pulver har sucefully framställts med hjälp av sonoelektrokemi.
Fördelar med den sonoelektrokemiska nanopartikelsyntesen inkluderar den

• undvikande av reduktionsmedel och ytaktiva
• användning av vatten som lösningsmedel
• justering av nanopartikelstorlek genom varierande parametrar (ultraljudseffekt, strömtäthet, depositionspotential och de ultraljuds- vs elektrokemiska pulstiderna)

Ashasssi-Sorkhabi och Bagheri (2014) syntetiserade polypyrrolefilmer sonoelektrokemiskt och jämförde resultaten med elektrochetiskt syntetiserade polypyrrolefilmer. Resultaten visar att den galvanostatiska sonoelektrodepositionen gav en starkt vidhäftande och slät polypyrrole (PPy) film på stål, med en strömtäthet på 4 mA cm–2 i 0,1 M oxalsyra/0,1 M pyrrolelösning. Med hjälp av sonoelektrokemisk polymerisation erhöll de högbeständighet och tuffa PPy-filmer med slät yta. Det har visat sig att PPy beläggningar som utarbetats av sonoelektrokemi ger betydande korrosionsskydd till St-12 stål. Den syntetiserade beläggningen var enhetlig och uppvisade en hög korrosionsbeständighet. Alla dessa resultat kan hänföras till det faktum att ultraljudet förbättrade massöverföringen av reaktanterna och orsakade höga kemiska reaktionshastigheter via akustisk kavitation och de resulterande höga temperaturer och tryck. Giltigheten av impedans data för St-12 stål / två PPy beläggningar / frätande media gränssnitt kontrollerades med hjälp av KK transformor, och låga genomsnittliga fel observerades.

Hass och Gedanken (2008) rapporterade den framgångsrika sono-elektrokemiska syntesen av metalliska magnesium nanopartiklar. Effektivitetsvinsterna i sonoelektrokemiska processen för Grilfargens i tetrahydrofuran (THF) eller i en dibutyldiglyme lösning var 41,35% och 33,08%, respektive. Lägga Till AlCl3 till Gringard lösningen ökade effektiviteten dramatiskt, höja den till 82,70% och 51,69% i THF eller dibutyldiglyme, respektive.

Sono-elektrokemisk vätgasproduktion

Ultraljud främjas elektrolys ökar avsevärt väte avkastning från vatten eller alkaliska lösningar. Klicka här för att läsa mer om den ultraljudsaccesserade elektrolytiska vätesyntesen!

Ultraljud Assisterad elektrokoagulering

The application of low-frequency ultrasound to electrocoagulcation systems is known as sono-electrocoagulation. Studies show that sonication influences electrocoagulation positively resulting e.g., in higher removal efficiency of iron hydroxides from wastewater. The positive impact of ultrasonics on electrocoagulation is explained by the reduction of electrode passivation. Low-frequency, high-intensity ultrasound destructs deposited solid layer and removes them efficiently, thereby keeping the electrodes continuously fully active. Furthermore, ultrasonics activates both ion types, i.e. cations and anions, present in the electrodes reaction zone. Ultrasonic agitation results in high micro-movement of the solution feeding and carrying away raw material and product to and from the electrodes.
Exempel för framgångsrika sono-elektrokoagulationsprocesser är minskningen av Cr(VI) till Cr(III) i det farmaceutiska avloppsvattnet, avlägsnandet av total fosfor från utflödet av den finkemiska industrin med en fosfor borttagningseffektivitet var 99,5% inom 10 min., färg och COD avlägsnande från utskov av massa och papper industrin etc. Rapporterade borttagningseffektivitetsvinster för av färg, COD, Cr(VI), Cu(II) och P var 100%, 95%, 100%, 97,3%, och 99,84%, respektive. (jfr Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-elektrokemisk nedbrytning av föroreningar

Ultraljud främjas elektrokemiska oxidation och / eller minskning reaktioner tillämpas som kraftfull metod för att bryta kemiska föroreningar. Sonomekaniska och sonochemical mekanismer främja elektrokemiska nedbrytning av föroreningar. Ultraljud genererade kavitation resulterar i intensiv agitation, mikro-blandning, massöverföring och avlägsnande av passiveating lager från elektroderna. Dessa cavitational verkställer resultat främst i en förbättring av den fast-flytande samlas överföringen mellan elektroderna och lösningen. Sonochemical verkställer direkt molekylar. Homolytisk klyvning av molekyler skapar mycket reaktiva oxidanter. I vattenhaltiga medier och i närvaro av syre produceras radikaler som HO•, HO2• och O• . •OH-radikaler är kända för att vara viktiga för en effektiv nedbrytning av organiska material. Sammantaget visar sono-elektrokemisk nedbrytning hög effektivitet och är lämplig för behandling av stora volymer av avloppsvatten strömmar och andra förorenade vätskor.
Till exempel fann Lllanos et al. (2016) att betydande synergistisk effekt erhölls för vattendesinfektion när det elektrokemiska systemet intensifierades av ultraljudsbehandling (sono-elektrokemisk desinfektion). Denna ökning av desinfektionshastigheten konstaterades vara relaterad till dämpningen E. coli-cellen aggolomerates samt en förstärkt produktion av desinfektionsarter. 
Esclapez et al. (2010) visade att en särskilt utformad sonoelektrokemisk reaktor (dock inte optimerad) användes under uppskalningen av triklorättiksyra (TCAA) nedbrytning, förekomsten av ultraljudsfält som genererades med UIP1000hd gav bättre resultat (fraktionerad omvandling 97%, nedbrytningseffektivitet 26%, selektivitet 0,92 och aktuell effektivitet 8%) vid lägre ultraljudsintensiteter och volymetriskt flöde. Med tanke på det faktum, att pre-pilot sonoelektrochemical reaktorn ännu inte var optimerad, är det mycket troligt att dessa resultat kan förbättras ytterligare.

Ultraljud Voltammetry och elektrodeposition

Elektrodeposition genomfördes galvanostatiskt vid nuvarande densitet av 15 mA/cm2. Lösningar utsattes för ultraljud innan elektrodeposition i 5–60 minuter. En Hielscher UP200S sond-typ ultrasonicator användes vid en cykeltid på 0,5. Ultraljud uppnåddes genom att direkt doppa ultraljudssonden i lösningen. För att utvärdera ultraljud inverkan på lösningen innan elektrodeposition, cykliska voltametri (CV) användes för att avslöja lösning beteende och gör det möjligt att förutsäga idealiska förhållanden för elektrodeposition. Det observeras att när lösningen utsätts för ultraljud innan elektrodeposition, deposition börjar på mindre negativa potentiella värden. Detta innebär att vid samma ström i lösningen mindre potential krävs, eftersom arten i lösningen beter sig mer aktiv än i icke-ultraljudsbaserade. (jfr Yurdal & Karahan 2017)

Högpresterande elektrokemiska sonder och sonoElektroreaktorer

Hielscher Ultrasonics är din lång tid erfarna partner för högpresterande ultraljud system. Vi tillverkar och distribuerar toppmoderna ultraljudssonder och reaktorer, som används över hela världen för tunga tillämpningar i krävande miljöer. För sonoelektrokemi har Hielscher utvecklat speciella ultraljudssonder, som kan fungera som katod och/eller anod, samt ultraljudsreaktorceller som lämpar sig för elektrokemiska reaktioner. Ultraljud elektroder och celler finns för galvaniska / voltaiska samt elektrolytiska system.

Exakt kontrollerbara amplituder för optimala resultat

Alla Hielscher ultraljud processorer är exakt kontrollerbara och därigenom pålitliga arbetshästar i R&D och produktion. Amplituden är en av de avgörande processparametrarna som påverkar effektiviteten och effektiviteten hos sonochemically och sonomekaniskt inducerade reaktioner. Alla Hielscher Ultrasonics’ processorer möjliggör den exakta inställningen av amplituden. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och leverera den nödvändiga ultraljudsintensiteten för krävande sono-elektrokhamiska applikationer. Amplituder på upp till 200μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift.
Exakta amplitudinställningar och den permanenta övervakningen av ultraljudsprocessparametrarna via smart programvara ger dig möjlighet att påverka den sonoelektrokemiska reaktionen exakt. Under varje ultraljudsbehandling kör, alla ultraljud parametrar registreras automatiskt på en inbyggd SD-kort, så att varje körning kan utvärderas och kontrolleras. Optimal ultraljudsbehandling för mest effektiva sonoelektrokemiska reaktioner!
All utrustning är byggd för 24/7/365 användning under full belastning och dess robusthet och tillförlitlighet gör det arbetet hästen i din elektrokemiska processen. Detta gör Hielschers ultraljudsutrustning till ett pålitligt arbetsredskap som uppfyller dina sonoelektrokemiska processkrav.

Högsta kvalitet – Designad och Tillverkad i Tyskland

Som ett familjeägt och familjeägt företag prioriterar Hielscher högsta kvalitetsstandarder för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultrasonicators är designade, tillverkade och noggrant testade i vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin, Tyskland. Robusthet och tillförlitlighet hielschers ultraljud utrustning gör det ett arbete häst i din produktion. 24/7 drift under full belastning och i krävande miljöer är en naturlig egenskap hos Hielschers högpresterande ultraljud sonder och reaktorer.

Kontakta oss nu och berätta om dina elektrokemiska processkrav! Vi kommer att rekommendera dig de mest lämpliga ultraljudselektroderna och reaktorinställningen!