Sonoelektrokimya ve Avantajları

Burada ultrasonik elektrokimya (sonoelektrokimya) hakkında bilmeniz gereken her şeyi bulabilirsiniz: çalışma prensibi, uygulamalar, avantajlar ve sonoelektrokimyasal ekipman – sonoelektrokimya ile ilgili tüm bilgiler tek bir sayfada.

Elektrokimyada Neden Ultrason Kullanılmalı?

Düşük frekanslı, yüksek yoğunluklu ultrason dalgalarının elektrokimyasal sistemlerle birleştirilmesi, elektrokimyasal reaksiyonların verimliliğini ve dönüşüm hızını artıran çok sayıda fayda sunar.

Ultrasonun Çalışma Prensibi

Yüksek performanslı ultrasonik işleme için yüksek yoğunluklu, düşük frekanslı ultrason, bir ultrason jeneratörü tarafından üretilir ve ultrasonik bir prob (sonotrot) aracılığıyla sıvıya iletilir. 16–30kHz aralığındaki ultrason, yüksek güçlü ultrason olarak kabul edilir. Ultrason probu, örneğin 20kHz frekansında genişleyip daralarak ortama saniyede 20.000 titreşim iletir. Ultrasonik dalgalar sıvı içinde ilerlerken dönüşümlü yüksek basınç (sıkışma) / düşük basınç (seyrelme veya genleşme) döngüleri, birkaç basınç döngüsü boyunca büyüyen çok küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşturur. Sıvının ve kabarcıkların sıkışma evresinde basınç pozitiftir; seyrelme evresi ise vakum (negatif basınç) oluşturur. Sıkışma–genleşme döngüleri sırasında sıvıdaki boşluklar, daha fazla enerji soğuramayacakları bir boyuta ulaşana kadar büyür. Bu noktada şiddetle içe çökerler. Bu boşlukların içe çökmesi, akustik / ultrasonik kavitasyon olgusu olarak bilinen, son derece yüksek enerjili çeşitli etkilere yol açar. Akustik kavitasyon, sıvıları, katı/sıvı sistemlerini ve gaz/sıvı sistemlerini etkileyen çok sayıda yüksek enerjili etkiyle karakterize edilir. Enerji yoğun bölge veya kavitasyon bölgesi, sıcak nokta bölgesi olarak bilinir; enerji yoğunluğu ultrasonik probun yakın çevresinde en yüksektir ve sonotrottan uzaklaştıkça azalır. Ultrasonik kavitasyonun başlıca özellikleri arasında yerel olarak oluşan çok yüksek sıcaklıklar ve basınçlar ile bunlara karşılık gelen sıcaklık ve basınç farkları, türbülanslar ve sıvı akışı bulunur. Ultrasonik sıcak noktalardaki ultrasonik boşlukların içe çökmesi sırasında 5000 Kelvin’e kadar sıcaklıklar, 200 atmosfere kadar basınçlar ve 1000km/h hızına kadar sıvı jetleri ölçülebilir. Bu olağanüstü yüksek enerjili koşullar, elektrokimyasal sistemleri çeşitli şekillerde yoğunlaştıran sonomekanik ve sonokimyasal etkilere katkıda bulunur.

Ultrasonun Elektrokimyasal Sistemler Üzerindeki Etkileri

Elektrokimyasal reaksiyonlara ultrasonikasyon uygulanmasının elektrotlar, yani anot ve katot ile elektrolitik çözelti üzerinde çeşitli etkileri olduğu bilinmektedir. Ultrasonik kavitasyon ve akustik akış, reaksiyon sıvısında belirgin mikro hareketler, çarpan sıvı jetleri ve çalkalanma oluşturur. Bunun sonucunda sıvı/katı karışımının hidrodinamiği ve hareketi iyileşir. Ultrasonik kavitasyon, bir elektrottaki difüzyon tabakasının etkin kalınlığını azaltır. Difüzyon tabakasının incelmesi, sonikasyonun konsantrasyon farkını en aza indirmesi anlamına gelir; diğer bir deyişle, elektrot yakınındaki konsantrasyon ile çözeltinin genel hacmindeki konsantrasyon değerinin birbirine yaklaşması ultrasonik olarak desteklenir. Ultrasonik çalkalamanın reaksiyon sırasında konsantrasyon gradyanları üzerindeki etkisi, elektroda sürekli taze çözelti beslenmesini ve reaksiyona girmiş malzemenin uzaklaştırılmasını sağlar. Bu, sonikasyonun genel kinetiği iyileştirerek reaksiyon hızını ve reaksiyon verimini artırdığı anlamına gelir.
Sisteme ultrasonik enerji verilmesi ve serbest radikallerin sonokimyasal olarak oluşması sayesinde, aksi halde elektroinaktif kalacak bir elektrokimyasal reaksiyon başlatılabilir. Akustik titreşimin ve akışın bir diğer önemli etkisi, elektrot yüzeylerini temizlemesidir. Elektrotlardaki pasifleştirici tabakalar ve kirlenme, elektrokimyasal reaksiyonların verimliliğini ve reaksiyon hızını sınırlar. Ultrasonikasyon, elektrotları sürekli temiz ve reaksiyon için tamamen aktif tutar. Ultrasonikasyon, elektrokimyasal reaksiyonlarda da faydalı olan gaz giderme etkileriyle iyi bilinir. İstenmeyen gazların sıvıdan uzaklaştırılmasıyla reaksiyon daha etkin şekilde gerçekleşebilir.

Sonoelektrokimyanın Uygulamaları

Sonoelektrokimya, çeşitli proseslere ve farklı sektörlerde uygulanabilir. Sonoelektrokimyanın çok yaygın uygulamaları arasında şunlar bulunur:

• Nanoparçacık sentezi (elektrosentez)
• Hidrojen sentezi
• Elektrokoagülasyon
• Atık su arıtımı
• Emülsiyonların kırılması
• Elektrokaplama / Elektrobiriktirme
• Ohmik Isıtma

Nanoparçacıkların Sonoelektrokimyasal Sentezi

Ultrasonikasyon, elektrokimyasal bir sistemde çeşitli nanoparçacıkların sentezlenmesi için başarıyla uygulanmıştır. Manyetit, kadmiyum–selenyum (CdSe) nanotüpleri, platin nanoparçacıkları (NP’ler), altın NP’ler, metalik magnezyum, bizmuten, nano gümüş, ultra ince bakır, tungsten–kobalt (W–Co) alaşımı nanoparçacıkları, samarya/indirgenmiş grafen oksit nanokompoziti, poli(akrilik asit) ile kaplanmış 1nm altı bakır nanoparçacıkları ve diğer birçok nano boyutlu toz, sonoelektrokimya kullanılarak başarıyla üretilmiştir.
Sonoelektrokimyasal nanoparçacık sentezinin avantajları arasında şunlar bulunur:

• indirgeyici maddelerden ve yüzey aktif maddelerden kaçınılması
• çözücü olarak su kullanılması
• parametrelerin (ultrasonik güç, akım yoğunluğu, biriktirme potansiyeli ve ultrasonik darbe süreleri ile elektrokimyasal darbe süreleri) değiştirilmesiyle nanoparçacık boyutunun ayarlanması

Ashasssi-Sorkhabi ve Bagheri (2014), polipirol filmleri sonoelektrokimyasal olarak sentezlemiş ve sonuçları elektrokimyasal olarak sentezlenmiş polipirol filmlerle karşılaştırmıştır. Sonuçlar, galvanostatik sonoelektrobiriktirmenin 0,1 M oksalik asit/0,1 M pirol çözeltisinde 4 mA cm–2 akım yoğunluğuyla çelik üzerinde güçlü biçimde yapışan ve pürüzsüz bir polipirol (PPy) film oluşturduğunu göstermektedir. Sonoelektrokimyasal polimerizasyon kullanarak pürüzsüz yüzeyli, yüksek dirençli ve tok PPy filmler elde etmişlerdir. Sonoelektrokimya ile hazırlanan PPy kaplamaların St-12 çeliğine önemli ölçüde korozyon koruması sağladığı gösterilmiştir. Sentezlenen kaplama homojendi ve yüksek korozyon direnci sergiledi. Tüm bu sonuçlar, ultrasonun reaktanların kütle transferini artırmasına ve akustik kavitasyon ile bunun sonucunda oluşan yüksek sıcaklıklar ve basınçlar aracılığıyla yüksek kimyasal reaksiyon hızlarına yol açmasına bağlanabilir. St-12 çeliği/iki PPy kaplama/korozif ortam arayüzüne ait empedans verilerinin geçerliliği KK dönüşümleri kullanılarak kontrol edilmiş ve düşük ortalama hatalar gözlenmiştir.

Hass ve Gedanken (2008), metalik magnezyum nanoparçacıklarının başarılı sonoelektrokimyasal sentezini bildirmiştir. Tetrahidrofuran (THF) veya dibütildiglim çözeltisi içindeki Gringard reaktifinin sonoelektrokimyasal prosesindeki verimlilikler sırasıyla %41,35 ve %33,08 olmuştur. Gringard çözeltisine AlCl3 eklenmesi, verimliliği çarpıcı biçimde artırarak THF veya dibütildiglim içinde sırasıyla %82,70 ve %51,69 düzeyine yükseltmiştir.

Sonoelektrokimyasal Hidrojen Üretimi

Ultrasonik olarak desteklenen elektroliz, sudan veya alkali çözeltilerden elde edilen hidrojen verimini önemli ölçüde artırır. Ultrasonik olarak hızlandırılan elektrolitik hidrojen sentezi hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!

Ultrasonik Destekli Elektrokoagülasyon

Elektrokoagülasyon sistemlerine düşük frekanslı ultrason uygulanması, sonoelektrokoagülasyon olarak bilinir. Çalışmalar, sonikasyonun elektrokoagülasyonu olumlu etkilediğini ve örneğin atık sudan demir hidroksitlerin giderilmesinde daha yüksek giderim verimliliği sağladığını göstermektedir. Ultrasonun elektrokoagülasyon üzerindeki olumlu etkisi, elektrot pasifleşmesinin azalmasıyla açıklanır. Düşük frekanslı, yüksek yoğunluklu ultrason, birikmiş katı tabakayı parçalar ve etkin biçimde uzaklaştırır; böylece elektrotları sürekli tamamen aktif tutar. Ayrıca ultrason, elektrotların reaksiyon bölgesinde bulunan her iki iyon türünü, yani katyonları ve anyonları aktive eder. Ultrasonik çalkalama, çözeltide yoğun mikro hareketler oluşturarak ham madde ve ürünü elektrotlara taşır ve elektrotlardan uzaklaştırır.
Başarılı sonoelektrokoagülasyon proseslerine örnek olarak farmasötik atık suda Cr(VI)’nın Cr(III)’e indirgenmesi, ince kimyasallar endüstrisinin çıkış sularından toplam fosforun 10 min. içinde %99,5 fosfor giderim verimliliğiyle uzaklaştırılması, selüloz ve kâğıt endüstrisinin çıkış sularından renk ve KOİ giderimi vb. verilebilir. Renk, KOİ, Cr(VI), Cu(II) ve P için bildirilen giderim verimlilikleri sırasıyla %100, %95, %100, %97,3 ve %99,84 olmuştur. (bkz. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Kirleticilerin Sonoelektrokimyasal Bozunması

Ultrasonik olarak desteklenen elektrokimyasal yükseltgenme ve/veya indirgenme reaksiyonları, kimyasal kirleticileri parçalamak için güçlü bir yöntem olarak uygulanır. Sonomekanik ve sonokimyasal mekanizmalar, kirleticilerin elektrokimyasal bozunmasını destekler. Ultrasonik olarak oluşturulan kavitasyon; yoğun çalkalanma, mikro karıştırma, kütle transferi ve elektrotlardan pasifleştirici tabakaların uzaklaştırılmasını sağlar. Bu kavitasyon etkileri esas olarak elektrotlar ile çözelti arasındaki katı–sıvı kütle transferini artırır. Sonokimyasal etkiler molekülleri doğrudan etkiler. Moleküllerin homolitik parçalanması, oldukça reaktif oksidanlar oluşturur. Sulu ortamlarda ve oksijen varlığında HO•, HO2• ve O• gibi radikaller üretilir. •OH radikallerinin organik maddelerin etkin biçimde ayrıştırılması için önemli olduğu bilinmektedir. Genel olarak sonoelektrokimyasal bozunma yüksek verimlilik gösterir ve büyük hacimli atık su akımlarının ve diğer kirlenmiş sıvıların arıtılması için uygundur.
Örneğin Lllanos ve diğerleri (2016), elektrokimyasal sistem sonikasyonla yoğunlaştırıldığında su dezenfeksiyonunda önemli sinerjik etkiler elde edildiğini saptamıştır (sonoelektrokimyasal dezenfeksiyon). Dezenfeksiyon hızındaki bu artışın, E. coli hücre agregatlarının baskılanması ve dezenfektan türlerin üretiminin artmasıyla ilişkili olduğu bulunmuştur. Esclapez ve diğerleri (2010), trikloroasetik asit (TCAA) bozunmasının ölçek büyütülmesi sırasında özel olarak tasarlanmış (ancak optimize edilmemiş) bir sonoelektrokimyasal reaktör kullanıldığında, UIP1000hd ile oluşturulan ultrason alanının varlığının daha düşük ultrasonik yoğunluklarda ve hacimsel debide daha iyi sonuçlar (fraksiyonel dönüşüm %97, bozunma verimliliği %26, seçicilik 0,92 ve akım verimliliği %8) sağladığını göstermiştir. Pilot öncesi sonoelektrokimyasal reaktörün henüz optimize edilmemiş olduğu göz önüne alındığında, bu sonuçların daha da iyileştirilebilmesi çok olasıdır.

Ultrasonik Voltametri ve Elektrobiriktirme

Elektrobiriktirme, 15 mA/cm2 akım yoğunluğunda galvanostatik olarak gerçekleştirilmiştir. Çözeltiler, elektrobiriktirme öncesinde 5–60 dakika boyunca ultrasonikasyona tabi tutulmuştur. Hielscher UP200S prob tipi sonikatörü 0,5 çevrim süresinde kullanılmıştır. Ultrasonikasyon, ultrason probunun doğrudan çözeltiye daldırılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Elektrobiriktirme öncesinde ultrasonun çözelti üzerindeki etkisini değerlendirmek için, çözeltinin davranışını ortaya koyan ve elektrobiriktirme için ideal koşulların öngörülmesini mümkün kılan döngüsel voltametri (CV) kullanılmıştır. Çözelti elektrobiriktirme öncesinde ultrasonikasyona tabi tutulduğunda, biriktirmenin daha az negatif potansiyel değerlerinde başladığı gözlenmektedir. Bu, çözeltideki türler ultrasonikasyona tabi tutulmamış çözeltilerdekilere göre daha aktif davrandığından, çözeltide aynı akım için daha düşük potansiyel gerektiği anlamına gelir. (bkz. Yurdal & Karahan 2017)
Nano katkılarla geliştirilmiş kaplamaların sonoelektrokimyasal biriktirilmesi hakkında daha fazla bilgi edinin!

Yüksek Performanslı Elektrokimyasal Problar ve SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics, yüksek performanslı ultrasonik sistemler konusunda uzun yıllara dayanan deneyime sahip ortağınızdır. Dünya çapında zorlu ortamlardaki ağır hizmet uygulamalarında kullanılan en son teknolojiye sahip ultrasonik problar ve reaktörler üretip dağıtıyoruz. Hielscher, sonoelektrokimya için katot ve/veya anot görevi görebilen özel ultrasonik probların yanı sıra elektrokimyasal reaksiyonlara uygun ultrasonik reaktör hücreleri geliştirmiştir. Ultrasonik elektrotlar ve hücreler, hem galvanik / voltaik hem de elektrolitik sistemler için mevcuttur.

Optimum Sonuçlar İçin Hassas Şekilde Kontrol Edilebilen Genlikler

Tüm Hielscher ultrasonik işlemcileri hassas şekilde kontrol edilebilir ve bu sayede Ar-Ge ve üretimde güvenilir iş yükü taşıyıcılarıdır. Genlik, sonokimyasal ve sonomekanik olarak başlatılan reaksiyonların verimliliğini ve etkinliğini etkileyen kritik proses parametrelerinden biridir. Tüm Hielscher Ultrasonics işlemcileri, genliğin hassas şekilde ayarlanmasına olanak tanır. Hielscher endüstriyel ultrasonik işlemcileri çok yüksek genlikler sağlayabilir ve zorlu sonoelektrokimyasal uygulamalar için gereken ultrasonik yoğunluğu sunabilir. 200µm’ye kadar genliklerde 24/7 kesintisiz çalışma kolayca sürdürülebilir.
Hassas genlik ayarları ve ultrasonik proses parametrelerinin akıllı yazılım aracılığıyla sürekli izlenmesi, sonoelektrokimyasal reaksiyonu hassas şekilde etkilemenize olanak tanır. Her sonikasyon çalışması sırasında tüm ultrasonik parametreler, her çalışmanın değerlendirilebilmesi ve kontrol edilebilmesi için dahili bir SD karta otomatik olarak kaydedilir. En verimli sonoelektrokimyasal reaksiyonlar için optimum sonikasyon!
Tüm ekipman, tam yük altında 24/7/365 kullanım için üretilmiştir; sağlamlığı ve güvenilirliği sayesinde elektrokimyasal prosesinizin iş yükünü taşır. Bu özellikler, Hielscher ultrasonik ekipmanını sonoelektrokimyasal proses gereksinimlerinizi karşılayan güvenilir bir çalışma aracı hâline getirir.

En Yüksek Kalite – Almanya’da Tasarlanıp Üretilmiştir

Aile mülkiyetinde ve aile tarafından yönetilen bir işletme olarak Hielscher, ultrasonik işlemcileri için en yüksek kalite standartlarına öncelik verir. Tüm sonikatörler, Almanya’da Berlin yakınlarındaki Teltow’da bulunan merkezimizde tasarlanır, üretilir ve kapsamlı şekilde test edilir. Hielscher ultrasonik ekipmanının sağlamlığı ve güvenilirliği, üretiminizin iş yükünü taşımasını sağlar. Tam yük altında ve zorlu ortamlarda 24/7 çalışma, Hielscher yüksek performanslı ultrasonik problarının ve reaktörlerinin doğal bir özelliğidir.

Şimdi bizimle iletişime geçin ve elektrokimyasal proses gereksinimlerinizi anlatın! Size en uygun ultrasonik elektrotları ve reaktör düzenini önereceğiz!