Sonoelektrokemi och dess fördelar

Här hittar du allt du behöver veta om ultraljudselektrokemi (sonoelektrokemi): funktionsprincip, tillämpningar, fördelar och sonoelektrokemisk utrustning – all relevant information om sonoelektrokemi på en sida.

Varför använda ultraljud inom elektrokemi?

Kombinationen av lågfrekventa, högintensiva ultraljudsvågor och elektrokemiska system medför många fördelar som förbättrar effektiviteten och omsättningsgraden hos elektrokemiska reaktioner.

Ultraljudets funktionsprincip

För högpresterande ultraljudsbehandling genereras högintensivt, lågfrekvent ultraljud av en ultraljudsgenerator och överförs via en ultraljudssond (sonotrod) till en vätska. Med högeffektsultraljud avses ultraljud i intervallet 16–30kHz. Ultraljudssonden expanderar och drar ihop sig vid exempelvis 20kHz och överför då 20 000 svängningar per sekund till mediet. När ultraljudsvågorna färdas genom vätskan skapar växlande cykler av högt tryck (kompression) / lågt tryck (förtunning eller expansion) mycket små vakuumbubblor eller kaviteter som växer under flera tryckcykler. Under vätskans och bubblornas kompressionsfas är trycket positivt, medan förtunningsfasen skapar ett vakuum (negativt tryck). Under kompressions- och expansionscyklerna växer kaviteterna i vätskan tills de når en storlek vid vilken de inte kan absorbera mer energi. Då imploderar de våldsamt. Dessa kaviteters implosion ger upphov till olika mycket energirika effekter som är kända som fenomenet akustisk kavitation / ultraljudskavitation. Akustisk kavitation kännetecknas av en mängd mycket energirika effekter som påverkar vätskor, system av fasta ämnen/vätska samt system av gas/vätska. Den energitäta zonen eller kavitationszonen kallas en så kallad hot spot-zon, där energitätheten är högst i ultraljudssondens omedelbara närhet och avtar med ökande avstånd från sonotroden. De främsta kännetecknen för ultraljudskavitation omfattar lokalt förekommande mycket höga temperaturer och tryck samt motsvarande temperatur- och tryckskillnader, turbulens och vätskeströmning. När ultraljudskaviteter imploderar i ultraljudets hot spots kan temperaturer på upp till 5000 kelvin, tryck på upp till 200 atmosfärer och vätskestrålar med hastigheter på upp till 1000km/h uppmätas. Dessa enastående energiintensiva förhållanden bidrar till sonomekaniska och sonokemiska effekter som intensifierar elektrokemiska system på olika sätt.

Ultraljudets effekter på elektrokemiska system

Användning av ultraljudsbehandling vid elektrokemiska reaktioner är känd för att ha olika effekter på elektroderna, dvs. anoden och katoden, samt på elektrolytlösningen. Ultraljudskavitation och akustisk strömning skapar betydande mikrorörelser, infallande vätskestrålar och omrörning i reaktionsvätskan. Detta förbättrar hydrodynamiken och rörelsen i blandningen av vätska och fasta ämnen. Ultraljudskavitation minskar diffusionsskiktets effektiva tjocklek vid en elektrod. Ett tunnare diffusionsskikt innebär att ultraljudsbehandlingen minimerar koncentrationsskillnaden, vilket betyder att ultraljudet främjar en utjämning mellan koncentrationen i närheten av en elektrod och koncentrationen i bulklösningen. Ultraljudsomrörningens inverkan på koncentrationsgradienterna under reaktionen säkerställer kontinuerlig tillförsel av färsk lösning till elektroden och borttransport av material som har reagerat. Detta innebär att ultraljudsbehandlingen förbättrar den övergripande kinetiken genom att öka reaktionshastigheten och reaktionsutbytet.
Genom tillförsel av ultraljudsenergi till systemet och sonokemisk bildning av fria radikaler kan elektrokemiska reaktioner som annars skulle ha varit elektroinaktiva initieras. En annan viktig effekt av akustiska vibrationer och akustisk strömning är rengöringen av elektrodytorna. Passiverande skikt och beläggningar på elektroderna begränsar de elektrokemiska reaktionernas effektivitet och reaktionshastighet. Ultraljudsbehandling håller elektroderna kontinuerligt rena och fullt aktiva för reaktionen. Ultraljudsbehandling är välkänd för sina avgasningseffekter, som även är fördelaktiga vid elektrokemiska reaktioner. Genom att oönskade gaser avlägsnas från vätskan kan reaktionen förlöpa effektivare.

Tillämpningar av sonoelektrokemi

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

• Syntes av nanopartiklar (elektrosyntes)
• Vätgassyntes
• Elektrokoagulering
• Avloppsvattenrening
• Brytning av emulsioner
• Elektroplätering / Elektrodeposition
• Ohmsk uppvärmning

Sonoelektrokemisk syntes av nanopartiklar

Ultraljudsbehandling har framgångsrikt använts för att syntetisera olika nanopartiklar i ett elektrokemiskt system. Magnetit, nanorör av kadmium–selen (CdSe), platinananopartiklar (NPs), guld-NPs, metalliskt magnesium, bismuten, nanosilver, ultrafin koppar, nanopartiklar av volfram–koboltlegering (W–Co), nanokomposit av samariumoxid/reducerad grafenoxid, kopparnanopartiklar mindre än 1nm med ett hölje av poly(akrylsyra) och många andra pulver i nanostorlek har framgångsrikt framställts med sonoelektrokemi.
Fördelarna med sonoelektrokemisk syntes av nanopartiklar omfattar

• undvikande av reduktionsmedel och ytaktiva ämnen
• användning av vatten som lösningsmedel
• justering av nanopartikelstorleken genom att variera parametrar (ultraljudseffekt, strömtäthet, depositionspotential och pulstiderna för ultraljud respektive elektrokemi)

Ashasssi-Sorkhabi och Bagheri (2014) syntetiserade polypyrrolfilmer sonoelektrokemiskt och jämförde resultaten med elektrokemiskt syntetiserade polypyrrolfilmer. Resultaten visar att den galvanostatiska sonoelektrodeponeringen gav en starkt vidhäftande och slät polypyrrolfilm (PPy) på stål vid en strömtäthet på 4 mA cm–2 i en lösning av 0,1 M oxalsyra/0,1 M pyrrol. Med sonoelektrokemisk polymerisation erhöll de motståndskraftiga och sega PPy-filmer med slät yta. Det har visats att PPy-beläggningar framställda med sonoelektrokemi ger St-12-stål ett betydande korrosionsskydd. Den syntetiserade beläggningen var jämn och uppvisade hög korrosionsbeständighet. Alla dessa resultat kan bero på att ultraljudet förbättrade reaktanternas masstransport och gav höga kemiska reaktionshastigheter genom akustisk kavitation och de höga temperaturer och tryck som uppstod till följd av denna. Giltigheten hos impedansdata för gränsytan St-12-stål/två PPy-beläggningar/korrosiva medier kontrollerades med KK-transformerna, och låga genomsnittliga fel observerades.

Hass och Gedanken (2008) rapporterade en framgångsrik sonoelektrokemisk syntes av metalliska magnesiumnanopartiklar. Verkningsgraderna i den sonoelektrokemiska processen med Gringard-reagenset i tetrahydrofuran (THF) eller i en dibutyldiglymlösning var 41,35% respektive 33,08%. Tillsats av AlCl3 till Gringard-lösningen ökade verkningsgraden dramatiskt, till 82,70% respektive 51,69% i THF respektive dibutyldiglym.

Sonoelektrokemisk vätgasproduktion

Ultraljudsfrämjad elektrolys ökar avsevärt utbytet av vätgas från vatten eller alkaliska lösningar. Klicka här för att läsa mer om den ultraljudsaccelererade elektrolytiska vätgassyntesen!

Ultraljudsassisterad elektrokoagulering

Användningen av lågfrekvent ultraljud i elektrokoaguleringssystem kallas sonoelektrokoagulering. Studier visar att ultraljudsbehandling påverkar elektrokoaguleringen positivt och exempelvis leder till effektivare avskiljning av järnhydroxider från avloppsvatten. Ultraljudets positiva inverkan på elektrokoaguleringen förklaras av minskad elektrodpassivering. Lågfrekvent ultraljud med hög intensitet bryter sönder avsatta fasta skikt och avlägsnar dem effektivt, vilket håller elektroderna fullt aktiva kontinuerligt. Dessutom aktiverar ultraljudet båda jontyperna, det vill säga katjoner och anjoner, som finns i elektrodernas reaktionszon. Ultraljudsomrörning ger kraftiga mikrorörelser i lösningen som tillför och transporterar bort råmaterial och produkt till och från elektroderna.
Exempel på framgångsrika sonoelektrokoaguleringsprocesser är reduktion av Cr(VI) till Cr(III) i avloppsvatten från läkemedelsindustrin, avskiljning av totalfosfor från finkemiindustrins avloppsvatten med en fosforavskiljningsgrad på 99,5% inom 10 min., avlägsnande av färg och COD från massa- och pappersindustrins avloppsvatten etc. Rapporterade avskiljningsgrader för färg, COD, Cr(VI), Cu(II) och P var 100%, 95%, 100%, 97,3% respektive 99,84%. (jfr Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sonoelektrokemisk nedbrytning av föroreningar

Ultraljudsfrämjade elektrokemiska oxidations- och/eller reduktionsreaktioner används som en kraftfull metod för att bryta ned kemiska föroreningar. Sonom mekaniska och sonokemiska mekanismer främjar den elektrokemiska nedbrytningen av föroreningar. Ultraljudsgenererad kavitation ger intensiv omrörning, mikroblandning, massöverföring och avlägsnande av passiverande skikt från elektroderna. Dessa kavitationseffekter förbättrar främst massöverföringen mellan fast och flytande fas mellan elektroderna och lösningen. Sonokemiska effekter påverkar molekyler direkt. Homolytisk klyvning av molekyler skapar mycket reaktiva oxidationsmedel. I vattenhaltiga medier och i närvaro av syre bildas radikaler som HO•, HO2• och O•. •OH-radikaler är kända för att vara viktiga för effektiv nedbrytning av organiska material. Sammantaget uppvisar sonoelektrokemisk nedbrytning hög effektivitet och är lämplig för behandling av stora volymer avloppsvattenströmmar och andra förorenade vätskor.
Exempelvis fann Lllanos et al. (2016) att betydande synergieffekter uppnåddes vid vattendesinfektion när det elektrokemiska systemet intensifierades genom ultraljudsbehandling (sonoelektrokemisk desinfektion). Denna ökning av desinfektionshastigheten visade sig vara relaterad till minskad förekomst av E. coli-cellagglomerat samt ökad produktion av desinficerande kemiska species. Esclapez et al. (2010) visade att när en särskilt utformad sonoelektrokemisk reaktor (dock inte optimerad) användes vid uppskalning av nedbrytningen av triklorättiksyra (TCAA), gav närvaron av ett ultraljudsfält genererat med UIP1000hd bättre resultat (omsättningsgrad 97%, nedbrytningseffektivitet 26%, selektivitet 0,92 och strömutbyte 8%) vid lägre ultraljudsintensiteter och volymflöde. Med tanke på att den sonoelektrokemiska reaktorn i förpilotstorlek ännu inte var optimerad är det mycket sannolikt att dessa resultat kan förbättras ytterligare.

Ultraljudsassisterad voltammetri och elektrodeposition

Elektrodeposition utfördes galvanostatiskt vid en strömtäthet på 15 mA/cm2. Lösningarna ultraljudsbehandlades i 5–60 minuter före elektrodepositionen. En Hielscher UP200S med ultraljudssond användes med en cykeltid på 0,5. Ultraljudsbehandlingen utfördes genom att ultraljudssonden sänktes ned direkt i lösningen. För att utvärdera ultraljudets inverkan på lösningen före elektrodepositionen användes cyklisk voltammetri (CV) för att klarlägga lösningens beteende och göra det möjligt att förutsäga idealiska förhållanden för elektrodeposition. Det observeras att när lösningen ultraljudsbehandlas före elektrodepositionen börjar avsättningen vid mindre negativa potentialvärden. Detta innebär att en lägre potential krävs vid samma ström i lösningen, eftersom de kemiska species som finns i lösningen är mer aktiva än i lösningar som inte har ultraljudsbehandlats. (jfr Yurdal & Karahan 2017)
Läs mer om sonoelektrokemisk avsättning av nanoförstärkta beläggningar!

Högpresterande elektrokemiska sonder och SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics är din partner med lång erfarenhet av högpresterande ultraljudssystem. Vi tillverkar och distribuerar ultraljudssonder och reaktorer med den senaste tekniken, som används över hela världen för krävande tillämpningar i påfrestande miljöer. För sonoelektrokemi har Hielscher utvecklat särskilda ultraljudssonder som kan fungera som katod och/eller anod samt ultraljudsreaktorceller som är lämpliga för elektrokemiska reaktioner. Ultraljudselektroder och celler finns tillgängliga för såväl galvaniska / voltaiska som elektrolytiska system.

Exakt reglerbara amplituder för optimala resultat

Alla Hielschers ultraljudsprocessorer kan styras exakt och är därmed pålitliga arbetshästar inom forskning och utveckling samt produktion. Amplituden är en av de avgörande processparametrarna som påverkar effektiviteten och verkningsgraden hos sonokemiskt och sonomekaniskt inducerade reaktioner. Alla processorer från Hielscher Ultrasonics möjliggör exakt inställning av amplituden. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och ge den ultraljudsintensitet som krävs för krävande sonoelektrokemiska tillämpningar. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan.
Exakta amplitudinställningar och ständig övervakning av ultraljudsprocessens parametrar via intelligent programvara ger dig möjlighet att påverka den sonoelektrokemiska reaktionen exakt. Under varje ultraljudsbehandling registreras alla ultraljudsparametrar automatiskt på ett inbyggt SD-kort, så att varje körning kan utvärderas och kontrolleras. Optimal ultraljudsbehandling för de mest effektiva sonoelektrokemiska reaktionerna!
All utrustning är byggd för användning 24/7/365 under full belastning, och dess robusthet och tillförlitlighet gör den till arbetshästen i din elektrokemiska process. Detta gör Hielschers ultraljudsutrustning till ett pålitligt arbetsredskap som uppfyller kraven för din sonoelektrokemiska process.

Högsta kvalitet – konstruerad och tillverkad i Tyskland

Som ett familjeägt och familjedrivet företag prioriterar Hielscher de högsta kvalitetsstandarderna för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultraljudsapparater konstrueras, tillverkas och testas grundligt vid vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin i Tyskland. Robustheten och tillförlitligheten hos Hielschers ultraljudsutrustning gör den till en arbetshäst i din produktion. Drift dygnet runt, alla dagar i veckan, under full belastning och i krävande miljöer är en naturlig egenskap hos Hielschers högpresterande ultraljudssonder och reaktorer.

Kontakta oss nu och berätta om kraven för din elektrokemiska process! Vi rekommenderar de ultraljudselektroder och den reaktorkonfiguration som passar dig bäst!