Sono-elektrokemi och dess fördelar

Här hittar du allt du behöver veta om ultraljudselektrokemi (sonoelektrokemi): arbetsprincip, tillämpningar, fördelar och sono-elektrokemisk utrustning – All relevant information om sonoelektrokemi på en sida.

Varför tillämpa ultraljud på elektrokemi?

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

Arbetsprincipen för ultraljud

För högpresterande ultraljudsbehandling genereras högintensivt, lågfrekvent ultraljud av en ultraljudsgenerator och överförs via en ultraljudssond (sonotrode) till en vätska. Ultraljud med hög effekt anses vara ultraljud i intervallet 16-30 kHz. Ultraljudssonden expanderar och drar ihop sig t.ex. vid 20 kHz och överför därmed 20 000 vibrationer per sekund till mediet. När ultraljudsvågorna färdas genom vätskan skapar omväxlande högtryckscykler (kompression) / lågtryck (sällsynthet eller expansion) små vakuumbubblor eller håligheter, som växer över flera tryckcykler. Under kompressionsfasen av vätskan och bubblorna är trycket positivt, medan sällsynthetsfasen producerar ett vakuum (negativt tryck). Under kompressions- och expansionscyklerna växer håligheterna i vätskan tills de når en storlek där de inte kan absorbera mer energi. Vid denna punkt imploderar de våldsamt. Implosionen av dessa håligheter resulterar i olika mycket energetiska effekter, som är kända som fenomenet akustisk / ultraljudskavitation. Akustisk kavitation karakteriseras av många högenergetiska effekter, som påverkar vätskor, fasta/flytande system samt gas/vätskesystem. Den energitäta zonen eller kavitationszonen är känd som den så kallade hot-spot-zonen, som är mest energität i närheten av ultraljudssonden och minskar med ökande avstånd från sonotroden. De viktigaste egenskaperna hos ultraljudskavitation inkluderar lokalt förekommande mycket höga temperaturer och tryck och respektive skillnader, turbulens och vätskeströmning. Under implosionen av ultraljudskaviteter i ultraljudshärdar kan temperaturer på upp till 5000 Kelvin, tryck på upp till 200 atmosfärer och vätskestrålar med upp till 1000 km/h mätas. Dessa enastående energiintensiva förhållanden bidrar till sonomekaniska och sonokemiska effekter som intensifierar elektrokemiska system på olika sätt.

Effekterna av ultraljud på elektrokemiska system

Tillämpningen av ultraljud till elektrokemiska reaktioner är känd för olika effekter på elektroderna, dvs anod och katod, samt den elektrolytiska lösningen. Ultraljudskavitation och akustisk strömning genererar betydande mikrorörelser, vilket påverkar vätskestrålar och omrörning i reaktionsvätskan. Detta resulterar i förbättrad hydrodynamik och rörelse av den flytande/fasta blandningen. Ultraljudskavitation minskar den effektiva tjockleken på diffusionsskiktet vid en elektrod. Ett reducerat diffusionsskikt innebär att ultraljudsbehandling minimerar koncentrationsskillnaden, vilket innebär konvergensen av koncentrationen i närheten av en elektrod och koncentrationsvärdet i bulklösningen främjas ultraljud. Påverkan av ultraljudsomrörning på koncentrationsgradienterna under reaktionen säkerställer permanent matning av färsk lösning till elektroden och transport av reagerat material. Detta innebär att ultraljudsbehandling förbättras den övergripande kinetiken, accelererar reaktionshastigheten och ökar reaktionsutbytet.
Genom införandet av ultraljudsenergi i systemet samt sonokemisk bildning av fria radikaler kan elektrokemisk reaktion, som annars skulle ha varit elektroinaktiv, initieras. 
En annan viktig effekt av akustiska vibrationer och strömning är den rengörande effekten på elektrodytorna. Passiverande skikt och nedsmutsning vid elektroderna begränsar effektiviteten och reaktionshastigheten för elektrokemiska reaktioner. Ultraljud håller elektroderna permanent rena och fullt aktiva för reaktion. Ultraljud är välkänt för sina avgasande effekter, som också är fördelaktiga i elektrokemiska reaktioner. Genom att ta bort oönskade gaser från vätskan kan reaktionen bli mer effektiv.

Tillämpningar av sonoelektrokemi

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

• Syntes av nanopartiklar (elektrosyntes)
• Syntes av väte
• elektrokoagulering
• Rening av avloppsvatten
• Brytande emulsioner
• Elektroplätering / Elektrodeposition

Sono-elektrokemisk syntes av nanopartiklar

Ultraljud var framgångsrik tillämpas för att syntetisera olika nanopartiklar i ett elektrokemiskt system. Magnetit, kadmium-selen (CdSe) nanorör, platina nanopartiklar (NP), guld NP, metalliskt magnesium, vismuten, nano-silver, ultrafin koppar, volfram-kobolt (W-Co) legering nanopartiklar, samaria/reducerad grafenoxid nanokomposit, sub-1nm poly(akrylsyra)-täckta kopparnanopartiklar och många andra pulver i nanostorlek har framgångsrikt producerats med hjälp av sonoelektrokemi.
Fördelarna med den sonoelektrokemiska nanopartikelsyntesen inkluderar

• Undvikande av reduktionsmedel och ytaktiva ämnen
• Användning av vatten som lösningsmedel
• Justering av nanopartikelstorlek med varierande parametrar (ultraljudseffekt, strömdensitet, depositionspotential och ultraljud vs elektrokemiska pulstider)

Ashasssi-Sorkhabi och Bagheri (2014) syntetiserade polypyrrolfilmer sonoelektrokemiskt och jämförde resultaten med elektrokemiskt syntetiserade polypyrrolfilmer. Resultaten visar att den galvanostatiska sonoelektrodepositionen producerade en starkt vidhäftande och slät polypyrrolfilm (PPy) på stål, med en strömtäthet på 4 mA cm–2 i 0,1 M oxalsyra/0,1 M pyrrollösning. Med hjälp av sonoelektrokemisk polymerisation erhöll de högresistenta och tuffa PPy-filmer med slät yta. Det har visat sig att PPy-beläggningar framställda med sonoelektrokemi ger ett betydande korrosionsskydd till St-12-stål. Den syntetiserade beläggningen var enhetlig och uppvisade en hög korrosionsbeständighet. Alla dessa resultat kan tillskrivas det faktum att ultraljudet förbättrade massöverföringen av reaktanterna och orsakade höga kemiska reaktionshastigheter via akustisk kavitation och de resulterande höga temperaturerna och trycken. Giltigheten av impedansdata för gränssnittet St-12 stål/två PPy-beläggningar/korrosiva medier kontrollerades med hjälp av KK-transformerna, och låga medelfel observerades.

Hass och Gedanken (2008) rapporterade den framgångsrika sono-elektrokemiska syntesen av metalliska magnesiumnanopartiklar. Effektiviteten i den sonoelektrokemiska processen för Gringard-reagenset i tetrahydrofuran (THF) eller i en dibutyldiglymelösning var 41,35 % respektive 33,08 %. Att lägga till AlCl3 till Gringard-lösningen ökade effektiviteten dramatiskt och höjde den till 82,70 % och 51,69 % i THF respektive dibutyldiglyme.

Sono-elektrokemisk vätgasproduktion

Ultraljudsfrämjad elektrolys ökar avsevärt väteutbytet från vatten eller alkaliska lösningar. Klicka här för att läsa mer om den ultraljudsaccelererade elektrolytiska vätesyntesen!

Ultraljudsassisterad elektrokoagulation

Tillämpningen av lågfrekvent ultraljud på elektrokoagulcationssystem är känd som sono-elektrokoagulation. Studier visar att ultraljudsbehandling påverkar elektrokoagulation positivt vilket resulterar t.ex. i högre reningseffektivitet av järnhydroxider från avloppsvatten. Den positiva effekten av ultraljud på elektrokoagulation förklaras av minskningen av elektrodpassivering. Lågfrekvent, högintensivt ultraljud förstör avsatta fasta skikt och avlägsnar dem effektivt, vilket håller elektroderna kontinuerligt fullt aktiva. Dessutom aktiverar ultraljud båda jontyperna, dvs. katjoner och anjoner, som finns i elektrodens reaktionszon. Ultraljudsomrörning resulterar i hög mikrorörelse av lösningen, matar och transporterar bort råmaterial och produkt till och från elektroderna.
Exempel på framgångsrika sono-elektrokoagulationsprocesser är reduktionen av Cr(VI) till Cr(III) i läkemedelsavloppsvattnet, avlägsnandet av totalfosfor från avloppsvatten från den finkemiska industrin med en fosforreningseffektivitet var 99,5 % inom 10 minuter, färg- och COD-avlägsnande från avloppsvatten från massa- och pappersindustrin etc. Rapporterad borttagningseffektivitet för färg, COD, Cr(VI), Cu(II) och P var 100 %, 95 %, 100 %, 97,3 % respektive 99,84 %. (jfr Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-elektrokemisk nedbrytning av föroreningar

Ultraljudsfrämjade elektrokemiska oxidations- och/eller reduktionsreaktioner används som en kraftfull metod för att bryta ner kemiska föroreningar. Sonomekaniska och sonokemiska mekanismer främjar den elektrokemiska nedbrytningen av föroreningar. Ultraljudsgenererad kavitation resulterar i intensiv omrörning, mikroblandning, massöverföring och avlägsnande av passiverande skikt från elektroderna. Dessa kavitationseffekter resulterar huvudsakligen i en förbättring av massöverföringen av fast och flytande material mellan elektroderna och lösningen. Sonokemiska effekter påverkar direkt molekyler. 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 effektiv nedbrytning av organiska material. Sammantaget visar sono-elektrokemisk nedbrytning hög effektivitet och är lämplig för behandling av stora volymer avloppsvattenströmmar och andra förorenade vätskor.
Till exempel fann Lllanos et al. (2016) att signifikant synergistisk effekt erhölls för vattendesinfektion när det elektrokemiska systemet intensifierades genom ultraljudsbehandling (sono-elektrokemisk desinfektion). Denna ökning av desinfektionshastigheten visade sig vara relaterad till undertryckandet av E. coli-cellaggolomerat samt en ökad produktion av desinfektionsmedel. 
Esclapez et al. (2010) visade att en specifikt utformad sonoelektrokemisk reaktor (dock inte optimerad) användes under uppskalningen av nedbrytning av triklorättiksyra (TCAA), närvaron av ultraljudsfält genererat med UIP1000hd gav bättre resultat (fraktionerad omvandling 97%, nedbrytningseffektivitet 26%, selektivitet 0,92 och strömeffektivitet 8%) vid lägre ultraljudsintensiteter och volymetriskt flöde. Med tanke på att den sonoelektrokemiska reaktorn före piloten ännu inte har optimerats är det mycket troligt att dessa resultat kan förbättras ytterligare.

Ultraljudsvoltametri och elektrodeposition

Elektrodeposition utfördes galvanostatiskt vid en strömtäthet på 15 mA/cm2. Lösningarna utsattes för ultraljud före elektrodeposition i 5–60 minuter. En Hielscher UP200S ultraljud av sondtyp användes vid en cykeltid på 0,5. Ultraljud uppnåddes genom att direkt doppa ultraljudssonden i lösningen. För att utvärdera ultraljudspåverkan på lösningen före elektrodeposition användes cyklisk voltametri (CV) för att avslöja lösningens beteende och göra det möjligt att förutsäga idealiska förhållanden för elektrodeposition. Det observeras att när lösningen utsätts för ultraljud före elektrodeposition börjar avsättningen vid mindre negativa potentialvärden. Detta innebär att vid samma ström i lösningen krävs mindre potential, eftersom arterna i lösningen beter sig mer aktivt än i icke-ultraljud. (jfr Yurdal & Karahan 2017)

Högpresterande elektrokemiska sonder och SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics är din långvariga erfarna partner för högpresterande ultraljudssystem. Vi tillverkar och distribuerar toppmoderna ultraljudssonder och reaktorer, som används över hela världen för tunga applikationer i krävande miljöer. För sonoelektrokemi har Hielscher utvecklat speciella ultraljudssonder, som kan fungera som katod och/eller anod, samt ultraljudsreaktorceller som är lämpliga för elektrokemiska reaktioner. Ultraljudselektroder och celler finns tillgängliga för galvaniska/voltaiska samt elektrolytiska system.

Exakt kontrollerbara amplituder för optimala resultat

Alla Hielscher ultraljudsprocessorer är exakt kontrollerbara och därmed tillförlitliga arbetshästar i R&D och produktion. Amplituden är en av de avgörande processparametrarna som påverkar effektiviteten och effektiviteten hos sonokemiskt och sonomekaniskt inducerade reaktioner. Alla Hielscher ultraljud’ processorer möjliggör exakt inställning av amplituden. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och leverera den ultraljudsintensitet som krävs för krävande sono-elektrochamiska applikationer. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift.
Exakta amplitudinställningar och permanent övervakning av ultraljudsprocessparametrarna via smart programvara ger dig möjlighet att påverka den sonoelektrokemiska reaktionen exakt. Under varje ultraljudsbehandling körs, 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 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 dina sonoelektrokemiska processkrav.

Högsta kvalitet – Designad och tillverkad i Tyskland

Som ett familjeägt och familjeägt företag prioriterar Hielscher högsta kvalitetsstandarder för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultraljudsapparater är utformade, tillverkade och grundligt testade i vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin, Tyskland. Robustheten och tillförlitligheten hos Hielschers ultraljudsutrustning gör den till en arbetshäst i din produktion. 24/7 drift under full belastning och i krävande miljöer är en naturlig egenskap hos Hielschers högpresterande ultraljudssonder och reaktorer.

Kontakta oss nu och berätta om dina krav på elektrokemiska processer! Vi kommer att rekommendera dig de mest lämpliga ultraljudselektroderna och reaktoruppsättningen!