Соноелектрохімія та її переваги

Тут ви знайдете все, що потрібно знати про ультразвукову електрохімію (соноелектрохімію): принцип дії, застосування, переваги та соноелектрохімічне обладнання – вся релевантна інформація про соноелектрохімію на одній сторінці.

Чому застосовують ультразвук в електрохімії?

Поєднання низькочастотних ультразвукових хвиль високої інтенсивності з електрохімічними системами має численні переваги, які підвищують ефективність та ступінь перетворення електрохімічних реакцій.

Принцип дії ультразвуку

Для високоефективної ультразвукової обробки низькочастотний ультразвук високої інтенсивності генерується ультразвуковим генератором і передається через ультразвуковий зонд (сонотрод) у рідину. Ультразвук високої потужності вважається ультразвуком у діапазоні 16-30kHz. Ультразвуковий зонд розширюється та стискається, наприклад, при 20kHz, тим самим передаючи відповідно 20 000 коливань на секунду в середовище. Коли ультразвукові хвилі поширюються через рідину, чергування циклів високого тиску (стиснення) / низького тиску (розрідження або розширення) створюють крихітні вакуумні бульбашки або порожнини, які зростають протягом кількох циклів тиску. Під час фази стиснення рідини та бульбашок тиск є додатним, тоді як фаза розрідження створює вакуум (негативний тиск). Під час циклів стиснення-розширення порожнини в рідині зростають, доки не досягнуть розміру, за якого вони не можуть поглинати більше енергії. У цей момент вони імплідують (сколашуються) з великою силою. Імплосія цих порожнин призводить до різних високоенергетичних ефектів, відомих як явище акустичної / ультразвукової кавітації. Акустична кавітація характеризується численними високоенергетичними ефектами, які впливають на рідини, системи тверде тіло/рідина, а також системи газ/рідина. Зона високої енергетичної щільності або кавітаційна зона відома як так звана зона гарячих точок (hot-spot zone), яка має найбільшу енергетичну щільність у безпосередній близькості від ультразвукового зонда і зменшується зі збільшенням відстані від сонотрода. Основні характеристики ультразвукової кавітації включають локально виникаючі дуже високі температури та тиски і відповідні диференціали, турбулентність та потоки рідини. Під час імплосії ультразвукових порожнин у ультразвукових гарячих точках можна виміряти температури до 5000 Kelvin, тиски до 200 атмосфер і струмені рідини зі швидкістю до 1000km/h. Ці видатні умови з високою енергонавантаженістю сприяють сономеханічним та сонохімічним ефектам, які різноманітними способами інтенсифікують електрохімічні системи.

Вплив ультразвуку на електрохімічні системи

Застосування ультразвукової обробки до електрохімічних реакцій відоме різноманітними ефектами на електродах, тобто аноді та катоді, а також на електролітичному розчині. Ультразвукова кавітація та акустичне струменеве течія створюють значний мікрорух, імпульсні струмені рідини та перемішування в реакційному середовищі. Це призводить до покращеної гідродинаміки та руху суміші рідина/тверде тіло. Ультразвукова кавітація зменшує ефективну товщину дифузійного шару на електроді. Зменшений дифузійний шар означає, що ультразвукова обробка мінімізує різницю концентрацій, тобто зближення концентрації поблизу електрода та значення концентрації в основному об’ємі розчину сприяється ультразвуком. Вплив ультразвукового перемішування на градієнти концентрації під час реакції забезпечує постійну подачу свіжого розчину до електрода та відведення прореагованого матеріалу. Це означає, що ультразвукова обробка покращує загальну кінетику, прискорюючи швидкість реакції та збільшуючи вихід продукту реакції.
Завдяки введенню ультразвукової енергії в систему, а також сонохімічному утворенню вільних радикалів, можна ініціювати електрохімічну реакцію, яка інакше була б електрохімічно неактивною. Іншим важливим ефектом акустичної вібрації та струменевого течії є очищувальний ефект на поверхнях електродів. Пасивуючі шари та забруднення на електродах обмежують ефективність і швидкість електрохімічних реакцій. Ультразвукова обробка підтримує електроди постійно чистими та повністю активними для реакції. Ультразвукова обробка відома своїми ефектами дегазації, які також є корисними в електрохімічних реакціях. Видалення небажаних газів із рідини дозволяє реакції протікати більш ефективно.

Застосування соноелектрохімії

Соноелектрохімію можна застосовувати до різних процесів і в різних галузях промисловості. Дуже поширеними застосуваннями соноелектрохімії є наступні:

• Синтез наночастинок (електросинтез)
• Синтез водню
• Електрокоагуляція
• Очищення стічних вод
• Руйнування емульсій
• Електроосадження / Електродосадження
• Омний нагрів

Соноелектрохімічний синтез наночастинок

Ультразвукову обробку успішно застосовували для синтезу різних наночастинок в електрохімічній системі. Магнетит, нанотрубки кадмій-селен (CdSe), наночастинки платини (НЧ), наночастинки золота, металевий магній, бісмуцен, наночастинки срібла, наддрібний мідний порошок, наночастинки сплаву вольфрам–кобальт (W–Co), нанокомпозит самарій/відновлений оксид графену, наночастинки міді розміром менше 1nm, покриті поліакриловою кислотою, та багато інших нанорозмірних порошків були успішно отримані за допомогою соноелектрохімії.
Переваги соноелектрохімічного синтезу наночастинок включають

• уникнення відновників та поверхнево-активних речовин
• використання води як розчинника
• регулювання розміру наночастинок шляхом зміни параметрів (ультразвукова потужність, густина струму, потенціал осадження та час ультразвукових та електрохімічних імпульсів)

Ashasssi-Sorkhabi та Bagheri (2014) синтезували плівки поліпіролю соноелектрохімічним методом і порівняли результати з плівками поліпіролю, синтезованими електрохімічно. Результати показують, що гальваностатичне соноелектроосадження виробило сильно адгезійну та гладку плівку поліпіролю (PPy) на сталі при щільності струму 4 mA cm–2 у розчині 0,1 M оксалової кислоти/0,1 M піролю. Використовуючи соноелектрохімічну полімеризацію, вони отримали PPy-плівки з високим опором та міцні, з гладкою поверхнею. Було показано, що покриття PPy, підготовлені за допомогою соноелектрохімії, забезпечують суттєвий захист від корозії для сталі St-12. Синтезоване покриття було однорідним і демонструвало високу корозійну стійкість. Усі ці результати можуть бути пояснені тим фактом, що ультразвук посилював масоперенесення реагентів і спричиняв високі швидкості хімічних реакцій через акустичну кавітацію та пов’язані з нею високі температури та тиски. Достовірність даних імпедансу для інтерфейсу сталі St-12/два покриття PPy/корозійне середовище перевірено за допомогою перетворень KK, і спостерігалися низькі середні помилки.

Hass та Gedanken (2008) повідомили про успішний соноелектрохімічний синтез наночастинок металічного магнію. Ефективність соноелектрохімічного процесу реагенту Грін’яра в тетрагідрофурані (THF) або в розчині дибутилдигліму становила 41,35% та 33,08% відповідно. Додавання AlCl3 до розчину Грін’яра різко підвищило ефективність, збільшивши її до 82,70% та 51,69% у THF або дибутилдиглімі відповідно.

Соноелектрохімічне виробництво водню

Електроліз, інтенсифікований ультразвуком, значно підвищує вихід водню з води або лужних розчинів. Натисніть тут, щоб дізнатися більше про синтез водню електролізом, прискорений ультразвуком!

Електрокоагуляція, інтенсифікована ультразвуком

Застосування низькочастотного ультразвуку до систем електрокоагуляції відоме як соноелектрокоагуляція. Дослідження показують, що ультразвукова обробка позитивно впливає на електрокоагуляцію, наприклад, підвищуючи ефективність видалення гідроксидів заліза зі стічних вод. Позитивний вплив ультразвуку на електрокоагуляцію пояснюється зменшенням пасивації електродів. Низькочастотний ультразвук високої інтенсивності руйнує відкладений шар твердих речовин і ефективно видаляє його, підтримуючи електроди постійно повністю активними. Крім того, ультразвук активує обидва типи іонів, тобто катіони та аніони, присутні в зоні реакції електродів. Ультразвукове перемішування призводить до високого мікроруху розчину, який подає та відводить сировину і продукт до електродів і від них.
Прикладами успішних процесів соноелектрокоагуляції є відновлення Cr(VI) до Cr(III) у фармацевтичних стічних водах, видалення загального фосфору зі стоків хімічної промисловості з ефективністю видалення фосфору 99,5% протягом 10 хв., видалення кольору та ХСК зі стоків целюлозно-паперової промисловості тощо. Повідомлені ефективності видалення кольору, ХСК, Cr(VI), Cu(II) та P становили 100%, 95%, 100%, 97,3% та 99,84% відповідно. (пор. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Соноелектрохімічна деградація забруднювачів

Ультразвуково стимульовані електрохімічні реакції окиснення та/або відновлення застосовуються як потужний метод для деградації хімічних забруднювачів. Сономеханічні та сонохімічні механізми сприяють електрохімічній деградації забруднювачів. Ультразвуково генерована кавітація призводить до інтенсивного перемішування, мікромікшування, масопереносу та видалення пасивуючих шарів з електродів. Ці кавітаційні ефекти переважно призводять до покращення масопереносу між твердою фазою та рідиною між електродами та розчином. Сонохімічні ефекти безпосередньо впливають на молекули. Гомолітичний розрив молекул створює високореакційні окисники. У водних середовищах та в присутності кисню утворюються радикали, такі як HO•, HO2• та O•. Відомо, що радикали •OH є важливими для ефективної декомпозиції органічних матеріалів. Загалом, соноелектрохімічна деградація демонструє високу ефективність і придатна для обробки великих об’ємів стічних вод та інших забруднених рідин.
Наприклад, Lllanos et al. (2016) виявили, що значний синергічний ефект було отримано для дезінфекції води, коли електрохімічну систему інтенсифікували за допомогою ультразвукової обробки (соноелектрохімічна дезінфекція). Це збільшення швидкості дезінфекції було пов’язано з пригніченням агрегації клітин E. coli, а також з посиленим утворенням дезінфікуючих речовин. Esclapez et al. (2010) показали, що спеціально сконструйований соноелектрохімічний реактор (однак не оптимізований) використовувався під час масштабування деградації трихлороцтової кислоти (TCAA); наявність ультразвукового поля, створеного за допомогою UIP1000hd, забезпечила кращі результати (частка конверсії 97%, ефективність деградації 26%, селективність 0,92 та ефективність струму 8%) при нижчих інтенсивностях ультразвуку та об’ємній витраті. Враховуючи той факт, що передпілотний соноелектрохімічний реактор ще не був оптимізований, дуже ймовірно, що ці результати можна ще більше покращити.

Ультразвукова вольтамперометрія та електроосадження

Електроосадження проводили гальваностатично при густині струму 15 mA/cm2. Розчини піддавали ультразвуковій обробці перед електроосадженням протягом 5–60 хвилин. Використовували Hielscher ультразвуковий гомогенізатор зондового типу UP200S при циклічному часі 0,5. Ультразвукову обробку здійснювали шляхом безпосереднього занурення ультразвукового зонда в розчин. Для оцінки впливу ультразвуку на розчин перед електроосадженням використовували циклічну вольтамперометрію (CV), щоб виявити поведінку розчину та передбачити ідеальні умови для електроосадження. Спостерігається, що коли розчин піддають ультразвуковій обробці перед електроосадженням, осадження починається при менш негативних значеннях потенціалу. Це означає, що при тому самому струмі в розчині потрібен менший потенціал, оскільки частинки в розчині поводяться активніше, ніж у розчинах без ультразвукової обробки. (пор. Yurdal & Karahan 2017)
Докладніше про соноелектрохімічне осадження нанопокращених покриттів!

Високопродуктивні електрохімічні зонди та соноелектрореактори

Hielscher Ultrasonics є вашим досвідченим партнером із багаторічним стажем у сфері високоефективних ультразвукових систем. Ми виробляємо та розповсюджуємо сучасні ультразвукові зонди та реактори, які використовуються у всьому світі для важких умов експлуатації у складних середовищах. Для соноелектрохімії Hielscher розробив спеціальні ультразвукові зонди, які можуть діяти як катод та/або анод, а також ультразвукові реакторні комірки, придатні для електрохімічних реакцій. Ультразвукові електроди та комірки доступні для гальванічних / вольтових, а також електролітичних систем.

Точно контрольовані амплітуди для оптимальних результатів

Усі ультразвукові процесори Hielscher точно керовані й тому є надійними робочими конячками у сфері R&D та виробництва. Амплітуда є одним із ключових параметрів процесу, що впливають на ефективність та результативність сонохімічно та сономеханічно індукованих реакцій. Усі процесори Hielscher Ultrasonics дозволяють точно встановлювати амплітуду. Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть забезпечувати дуже високі амплітуди та подавати необхідну ультразвукову інтенсивність для складних соноелектрохімічних застосувань. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати в режимі безперервної роботи 24/7.
Точне налаштування амплітуди та постійний моніторинг ультразвукових параметрів процесу через розумне програмне забезпечення дають вам можливість точно впливати на соноелектрохімічну реакцію. Під час кожної ультразвукової обробки всі ультразвукові параметри автоматично записуються на вбудовану SD-картку, так що кожен цикл можна оцінити та проконтролювати. Оптимальна ультразвукова обробка для найбільш ефективних соноелектрохімічних реакцій!
Усе обладнання розроблене для використання 24/7/365 під повним навантаженням, а його міцність та надійність роблять його робочою конячкою у вашому електрохімічному процесі. Це робить ультразвукове обладнання Hielscher надійним інструментом, який задовольняє вимоги вашого соноелектрохімічного процесу.

Найвища якість – розроблено та виготовлено в Німеччині

Як сімейний бізнес, Hielscher надає пріоритет найвищим стандартам якості для своїх ультразвукових процесорів. Усі ультразвукові апарати розробляються, виготовляються та ретельно тестуються в нашій штаб-квартирі в Тельтові поблизу Берліна, Німеччина. Міцність та надійність ультразвукового обладнання Hielscher роблять його робочою конячкою у вашому виробництві. Робота 24/7 під повним навантаженням та у складних умовах є природною характеристикою високопродуктивних ультразвукових зондів та реакторів Hielscher.

Зв’яжіться з нами зараз і розкажіть нам про вимоги вашого електрохімічного процесу! Ми порекомендуємо вам найбільш підходящі ультразвукові електроди та конфігурацію реактора!