Електросонікація – Ультразвукові електроди

Електросонікація – це поєднання впливу електрики з ефектами ультразвукової обробки. Hielscher Ultrasonics розробила новий та елегантний метод використання будь-якого сонотрода як електрода. Це забезпечує пряму передачу енергії ультразвуку на межі розділу між ультразвуковим електродом і рідиною. Там він може сприяти електролізу, покращувати масоперенос і руйнувати граничні шари або відкладення. Hielscher постачає обладнання виробничого класу для процесів електросонікації в партійних і потокових процесах будь-якого масштабу. Ви можете поєднувати електросонікацію з маносонікацією (тиск) і термосонікацією (температура).

Застосування ультразвукових електродів

Застосування ультразвуку до електродів є новою технологією, яка має переваги для багатьох різних процесів в електролізі, гальванізуванні, електроочищенні, виробництві водню та електрокоагуляції, синтезі частинок або інших електрохімічних реакціях. Hielscher Ultrasonics має ультразвукові електроди, доступні для досліджень і розробок у лабораторному або пілотному масштабі електролізу. Після того, як ви протестуєте та оптимізуєте свій електролітичний процес, ви можете використовувати ультразвукове обладнання виробничого розміру Hielscher Ultrasonics, щоб масштабувати результати вашого процесу до рівня промислового виробництва. Нижче ви знайдете пропозиції та рекомендації щодо використання ультразвукових електродів.

Сонелектроліз (ультразвуковий електроліз)

Електроліз – це обмін атомами та іонами шляхом видалення або додавання електронів, що виникає внаслідок прикладання електричного струму. Продукти електролізу можуть мати інший фізичний стан, ніж електроліт. Електроліз може виробляти тверді речовини, такі як осади або тверді шари на будь-якому з електродів. Альтернативно, електроліз може виробляти гази, такі як водень, хлор або кисень. Ультразвукове перемішування електрода може руйнувати тверді відкладення з поверхні електрода. Ультразвукове дегазування швидко виробляє більші газові бульбашки з розчинених газів мікро-бульбашок. Це призводить до швидшого відділення газоподібних продуктів від електроліту.

Ультразвуковий UIP2000hdT (2000 ват, 20kHz) як катод і/або анод в електролітичній комірці

Ультразвуково посилений масоперенос на поверхні електрода

Під час процесу електролізу продукти накопичуються поблизу електродів або на поверхні електрода. Ультразвукове перемішування є дуже ефективним інструментом для збільшення масопереносу в граничних шарах. Цей ефект приводить свіжий електроліт у контакт з поверхнею електрода. Кавітаційний потік транспортує продукти електролізу, такі як гази або тверді речовини, від поверхні електрода. Тому запобігається гальмуюче утворення ізолюючих шарів.

Вплив ультразвуку на потенціал розкладання

Ультразвукове перемішування анода, катода або обох електродів може впливати на потенціал розкладання або напругу розкладання. Відомо, що сама кавітація руйнує молекули, виробляє вільні радикали або озон. Поєднання кавітації з електролізом в ультразвуково посилений електроліз може впливати на мінімальну необхідну напругу між анодом і катодом електролітичної комірки для протікання електролізу. Механічні та сонохімічні ефекти кавітації також можуть покращувати енергоефективність електролізу.

Ультразвук в електрорафінуванні та електровидобутку

У процесі електрорафінування тверді відкладення металів, такі як мідь, можуть бути перетворені на суспензію твердих частинок в електроліті. В електровидобутку, також відомому як електроэкстракція, електроосадження металів з їхніх руд може бути перетворено на твердий осад. Поширеними металами, отриманими електровидобутком, є свинець, мідь, золото, срібло, цинк, алюміній, хром, кобальт, марганець, а також рідкісноземельні та лужні метали.
Ультразвукова обробка також є ефективним засобом для вилуговування руд.

Сонелектролітичне очищення рідин

Очищайте рідину, наприклад, водні розчини, такі як стічні води, шлами або подібні, пропускаючи розчин через електричне поле двох електродів! Електроліз може знешкоджувати або очищувати водні розчини. Подавання розчину NaCI разом із водою через електроди або між електродами генерує Cl2 або CIO2, які можуть окиснювати домішки та знешкоджувати воду або водні розчини. Якщо вода містить достатню кількість природних хлоридів, додавання не потрібне.
Ультразвукові коливання електрода можуть зробити граничний шар між електродом і водою якнайтоншим. Це може покращити масоперенесення на багато порядків. Ультразвукові коливання та кавітація значно зменшують утворення мікроскопічних бульбашок через поляризацію. Використання ультразвукових електродів для електролізу суттєво покращує процес електролітичного очищення.

Соно-електрокоагуляція (ультразвукова електрокоагуляція)

Електрокоагуляція – це метод очищення стічних вод для видалення забруднювачів, таких як емульгована олія, загальні нафтові вуглеводні, важкорозкладні органічні речовини, зважені тверді частинки та важкі метали. Також радіоактивні іони можна видаляти для очищення води. Додавання ультразвукової обробки до електрокоагуляції, також відомої як соно-електрокоагуляція, позитивно впливає на ефективність видалення хімічного споживання кисню або каламутності. Комбіновані процеси електрокоагуляції показали значно підвищену ефективність у видаленні забруднювачів з промислових стічних вод. Інтеграція етапу утворення вільних радикалів, такого як ультразвукова кавітація, з електрокоагуляцією демонструє синергію та покращення загального процесу очищення. Мета використання цих ультразвуково-електролітичних гібридних систем полягає у підвищенні загальної ефективності обробки та усуненні недоліків традиційних процесів очищення. Гібридні ультразвуково-електрокоагуляційні реактори, як було показано, інактивують Escherichia coli у воді.

Ультразвуковий UIP2000hdT (2000 ват, 20kHz) як соно-катод і/або соно-анод у резервуарі

Соно-електролітичне in-situ генерування реагентів або реагуючих речовин

Багато хімічних процесів, таких як гетерогенні реакції або каталіз, виграють від ультразвукового перемішування та ультразвукової кавітації. Сонохімічний вплив може збільшити швидкість реакції або покращити вихід перетворення.
Ультразвуково перемішувані електроди додають новий потужний інструмент до хімічних реакцій. Тепер ви можете поєднати переваги сонохімії з електролізом. Виробляйте водень, гідроксид-іони, гіпохлорит та багато інших іонів або нейтральних матеріалів безпосередньо в полі ультразвукової кавітації. Продукти електролізу можуть діяти як реагенти або як реагуючі речовини для хімічної реакції.

Поєднання ультразвуку з імпульсним електричним полем

Поєднання імпульсного електричного поля (PEF) та ультразвуку (US) має позитивні ефекти для екстракції фізико-хімічних, біоактивних сполук та хімічної структури екстрактів. При екстракції мигдалю комбінована обробка (PEF–US) дала найвищі рівні загальних фенолів, загальних флавоноїдів, конденсованих танінів, вмісту антоціанів та антиоксидантної активності. Вона зменшила потужність та хелатуючу активність щодо металів.
Ультразвук (US) та імпульсне електричне поле (PEF) можна застосовувати для підвищення ефективності процесу та швидкості виробництва у процесах ферментації шляхом покращення масоперенесення та клітинної проникності.
Поєднання обробки імпульсним електричним полем та ультразвуком справді впливає на кінетику повітряної сушки та якість сушених овочів, таких як морква. Час сушіння можна скоротити на 20–40%, зберігаючи при цьому властивості регідратації.

Соно-електрохімія / Ультразвукова електрохімія

Додайте ультразвуково посилене електролізування для вироблення реагентів або споживання продуктів хімічних реакцій, щоб змістити кінцеву рівновагу хімічної реакції або змінити шлях протікання хімічної реакції.

Рекомендована конфігурація ультразвукових електродів

Інноваційна конструкція для ультразвукових гомогенізаторів зондового типу перетворює стандартний ультразвуковий сонотрод на електрод, що коливається під дією ультразвуку. Це робить застосування ультразвуку для електродів більш доступним, легшим для інтеграції та легко масштабованим до промислових рівнів. Інші конструкції лише перемішували електроліт між двома нерухомими електродами. Екранування та патерни поширення ультразвукових хвиль дають гірші результати порівняно з безпосереднім перемішуванням електрода. Ви можете додавати ультразвукові коливання до анодів або катодів відповідно. Звісно, ви можете змінювати напругу та полярність електродів у будь-який час. Електроди Hielscher Ultrasonics легко модернізувати для існуючих установок.

Герметична соно-електролітична комірка та електрохімічні реактори

Доступне герметичне з’єднання між ультразвуковим сонотродом (електродом) та корпусом реактора. Тому ви можете експлуатувати електролітичну комірку при тиску, відмінному від атмосферного. Поєднання ультразвуку з тиском називається mano-sonication (маносонікація). Це може бути цікавим, якщо електроліз виробляє гази, при роботі за вищих температур або при роботі з леткими рідкими компонентами. Щільно герметизований електрохімічний реактор може працювати при тисках вище або нижче атмосферного. З’єднання між ультразвуковим електродом та реактором може бути електропровідним або ізолюючим. Останнє дозволяє використовувати стінки реактора як другий електрод. Звісно, реактор може мати вхідні та вихідні порти, щоб діяти як реактор проточної комірки для безперервних процесів. Hielscher Ultrasonics пропонує різноманітні стандартизовані реактори та проточні комірки з сорочкою. Альтернативно, ви можете обрати з діапазону адаптерів, щоб підігнати сонотроди Hielscher до вашого електрохімічного реактора.

Концентричне розташування в трубному реакторі

Якщо ультразвуково перемішуваний електрод знаходиться поблизу другого нерухомого електрода або поблизу стінки реактора, ультразвукові хвилі поширюються через рідину, і ультразвукові хвилі також діятимуть на інші поверхні. Ультразвуково перемішуваний електрод, орієнтований концентрично в трубі або в реакторі, може утримувати внутрішні стінки вільними від забруднень або накопичених твердих речовин.

Температура

При використанні стандартних сонотродів Hielscher як електродів температура електроліту може бути від 0 до 80 градусів Цельсія. Сонотроди для інших температур електроліту в діапазоні від -273 градусів Цельсія до 500 градусів Цельсія доступні на запит. Поєднання ультразвуку з температурою називається thermo-sonication (термосонікація).

В’язкість

Якщо в’язкість електроліту перешкоджає масопереносу, ультразвукове перемішування під час електролізу може бути корисним, оскільки воно покращує перенесення матеріалу до електродів та від електродів.

Соно-електроліз з пульсуючим струмом

Пульсуючий струм на ультразвуково перемішуваних електродах дає продукти, відмінні від тих, що отримують при постійному струмі (DC). Наприклад, пульсуючий струм може збільшити співвідношення озону до кисню, виробленого на аноді під час електролізу водного кислого розчину, наприклад, розведеної сульфатної кислоти. Електроліз етанолу імпульсним струмом виробляє альдегід замість переважно кислоти.

Обладнання для електро-сонації

Hielscher Ultrasonics розробила спеціальне соноелектрохімічне оновлення для промислових перетворювачів. Оновлений перетворювач працює з майже всіма типами сонотродів Hielscher.

Ультразвукові електроди (сонотроди)

Сонотроди ізольовані від ультразвукового генератора в електричному відношенні. Тому можна підключити ультразвуковий сонотрод до електричної напруги, щоб він міг діяти як електрод. Стандартний зазор електричної ізоляції між сонотродами та контактом заземлення становить 2,5 mm. Тому можна подавати до 2500 вольт на сонотрод. Стандартні сонотроди є суцільними та виготовлені з титану. Тому майже немає обмежень щодо струму електрода. Титан демонструє стійкість до корозії в багатьох лужних або кислих електролітах. Можливі альтернативні матеріали сонотродів, такі як алюміній (Al), сталь (Fe), нержавіюча сталь, нікель-хром-молібден або ніобій. Hielscher пропонує економічно ефективні сонотроди-жертвовані аноди, наприклад, виготовлені з алюмінію або сталі.

Ультразвуковий генератор, блок живлення

Ультразвуковий генератор не потребує жодних модифікацій і використовує стандартну електричну розетку із заземленням. Перетворювач-ріг та всі зовнішні поверхні перетворювача та генератора, звичайно, підключені до заземлення розетки живлення. Сонотрод і елемент кріплення є єдиними частинами, підключеними до напруги електрода. Це полегшує розробку установки. Можна підключити сонотрод до постійного струму (DC), пульсуючого постійного струму або змінного струму (AC). Ультразвукові електроди можуть працювати як аноди або катоди відповідно.

Виробниче обладнання для процесів електро-сонації

Можна використовувати будь-який ультразвуковий пристрій Hielscher, такий як UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT або UIP4000hdT, для передачі до 4000 ват ультразвукової потужності на будь-який стандартний сонотрод або каскатрод. Інтенсивність ультразвукової поверхні на поверхні сонотрода може становити від 1 вата до 100 ват на квадратний сантиметр. Доступні різні геометрії сонотродів з амплітудами від 1 мікрона до 150 мікрон (пік-пік). Ультразвукова частота 20kHz є дуже ефективною для генерації кавітації та акустичного потоку в електроліті. Ультразвукові пристрої Hielscher можуть працювати 24 години на добу, сім днів на тиждень. Можна працювати безперервно на повній вихідній потужності або пульсуюче, наприклад, для періодичного очищення електродів. Hielscher Ultrasonics може постачати ультразвукові електроди з потужністю до 16 кіловат ультразвукової потужності (механічне перемішування) на один електрод. Майже немає обмежень щодо електричної потужності, яку можна подати на електроди.

Ще одна річ: соно-електростатичне розпилення

Hielscher Ultrasonics виробляє обладнання для розпилення, небулізації, атомізації або аерозолювання рідин. Ультразвуковий сонотрод для розпилення може надавати рідкому туману або аерозолям позитивний заряд. Це поєднує ультразвукове розпилення з технологією електростатичного розпилення, наприклад, для процесів покриття.

Література / Посилання

• 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.