СОНО-електрохімія та її переваги
Тут ви знайдете все, що вам потрібно знати про ультразвукову електрохімію (соноелектрохімію): принцип роботи, застосування, переваги та соноелектрохімічне обладнання – Вся актуальна інформація про соноелектрохімію на одній сторінці.
Навіщо застосовувати ультразвук в електрохімії?
Поєднання низькочастотних високоінтенсивних ультразвукових хвиль з електрохімічними системами має численні переваги, які покращують ефективність і швидкість перетворення електрохімічних реакцій.
Принцип роботи ультразвуку
Для високопродуктивної ультразвукової обробки високоінтенсивний низькочастотний ультразвук генерується генератором ультразвуку і передається через ультразвуковий зонд (сонотроде) в рідину. Ультразвуком високої потужності вважається ультразвук в діапазоні 16-30 кГц. Ультразвуковий зонд розширюється і стискається, наприклад, на частоті 20 кГц, тим самим передаючи в середовище відповідно 20 000 коливань в секунду. Коли ультразвукові хвилі проходять через рідину, чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження або розширення) створює дрібні вакуумні бульбашки або порожнини, які ростуть протягом декількох циклів тиску. Під час фази стиснення рідини і бульбашок тиск позитивний, в той час як фаза розрідження створює вакуум (негативний тиск). Під час циклів стиснення-розширення порожнини в рідині ростуть до тих пір, поки не досягнуть розміру, при якому вони не можуть поглинути більше енергії. У цей момент вони сильно вибухають. Імплозія цих порожнин призводить до різних високоенергетичних ефектів, які відомі як явище акустичної / ультразвукової кавітації. Акустична кавітація характеризується різноманітними високоенергетичними ефектами, які впливають на рідини, системи тверде тіло/рідина, а також системи газ/рідина. Енергетично щільна зона або кавітаційна зона відома як так звана зона гарячої точки, яка найбільш енергетично насичена в безпосередній близькості від ультразвукового зонда і зменшується зі збільшенням відстані від сонотрода. Основні характеристики ультразвукової кавітації включають локальні дуже високі температури та тиск та відповідні перепади, турбулентності та потік рідини. Під час імплозії ультразвукових порожнин в ультразвукових гарячих точках можна вимірювати температуру до 5000 Кельвінів, тиск до 200 атмосфер і струмені рідини зі швидкістю до 1000 км/год. Ці видатні енергоємні умови сприяють сономеханічним та сонохімічним ефектам, які інтенсифікують електрохімічні системи різними способами.
- Збільшує масообмін
- Ерозія / дисперсії твердих речовин (електролітів)
- Порушення меж твердого і рідкого тіла
- Цикли високого тиску
Вплив ультразвуку на електрохімічні системи
Застосування ультразвуку до електрохімічних реакцій відомо різними впливами на електроди, тобто на анод і катод, а також на електролітичний розчин. Ультразвукова кавітація та акустичний потік породжують значний мікрорух, що спрямовує струмені рідини та перемішування в реакційну рідину. Це призводить до покращення гідродинаміки та руху суміші рідина та тверде тіло. Ультразвукова кавітація зменшує ефективну товщину дифузійного шару на електроді. Зменшений дифузійний шар означає, що ультразвуковий звук мінімізує різницю в концентрації, тобто збіжність концентрації в околиці електрода і значення концентрації в сипучому розчині сприяють ультразвуковому звучуванню. Вплив ультразвукового перемішування на градієнти концентрації в процесі реакції забезпечує постійну подачу свіжого розчину на електрод і відкачування прореагував матеріалу. Це означає, що ультразвук покращує загальну кінетику, прискорює швидкість реакції та збільшує вихід реакції.
Шляхом введення в систему ультразвукової енергії, а також сонохімічного утворення вільних радикалів можна ініціювати електрохімічну реакцію, яка в іншому випадку була б електронеактивною.
Ще одним важливим ефектом акустичної вібрації та потоків є ефект очищення поверхонь електродів. Пасивуючі шари і забруднення на електродах обмежують ефективність і швидкість реакції електрохімічних реакцій. Ультразвук підтримує електроди постійно чистими та повністю активними для реакції. Ультразвук добре відомий своїм дегазуючим ефектом, який також корисний в електрохімічних реакціях. Видаляючи небажані гази з рідини, реакція може протікати більш ефективно.
- Збільшення електрохімічних виходів
- Підвищена швидкість електрохімічної реакції
- Підвищена загальна ефективність
- Зменшені дифузійні шари
- Покращений масообмін на електроді
- Поверхнева активація на електроді
- Видалення пасивуючих шарів і забруднень
- Зменшення перенапруг електродів
- Ефективна дегазація розчину
- Неперевершена гальванічна якість
Області застосування соноелектрохімії
Соноелектрохімія може застосовуватися в різних процесах і в різних галузях промисловості. До дуже поширених застосувань соноелектрохімії можна віднести наступні:
- Синтез наночастинок (електросинтез)
- синтез водню
- Електрокоагуляція
- Очищення стічних вод
- Розбивання емульсій
- Гальванічне покриття / Електроосадження
Соноелектрохімічний синтез наночастинок
Ультразвук був успішно застосований для синтезу різних наночастинок в електрохімічній системі. Магнетит, нанотрубки кадмій-селен (CdSe), платинові наночастинки (NPs), золоті NP, металевий магній, вісмутен, наносрібло, надтонка мідь, наночастинки сплаву вольфрам-кобальт (W–Co), нанокомпозит самарії/відновленого оксиду графену, наночастинки міді з полі(акриловою кислотою) товщиною до 1 нм та багато інших нанорозмірних порошків були успішно виготовлені за допомогою соноелектрохімії.
До переваг соноелектрохімічного синтезу наночастинок можна віднести
- уникнення відновників і поверхнево-активних речовин
- використання води в якості розчинника
- Регулювання розміру наночастинок за різними параметрами (ультразвукова потужність, щільність струму, потенціал осадження та час ультразвукового та електрохімічного імпульсу)
Ашассі-Сорхабі та Багері (2014) синтезували поліпірольні плівки соноелектрохімічним шляхом і порівняли результати з електрохімічно синтезованими поліпірольними плівками. Результати показують, що гальваностатичне соноелектроосадження утворювало міцно адгезивну та гладку поліпірольну плівку (PPy) на сталі з щільністю струму 4 мА см–2 у розчині 0,1 М щавлевої кислоти/0,1 М піролу. За допомогою соноелектрохімічної полімеризації вони отримали високостійкі та міцні плівки PPy з гладкою поверхнею. Показано, що PPy-покриття, приготовлені методом соноелектрохімії, забезпечують значний корозійний захист сталі Ст-12. Синтезоване покриття було однорідним і демонструвало високу корозійну стійкість. Всі ці результати можна пояснити тим, що ультразвук посилював масообмін реагентів і викликав високу швидкість хімічних реакцій через акустичну кавітацію і викликані нею високі температури і тиск. Достовірність даних імпедансу для інтерфейсу сталь/два PPy-покриття St-12 була перевірена за допомогою KK-перетворень, і спостерігалися низькі середні похибки.
Hass and Gedanken (2008) повідомили про успішний соноелектрохімічний синтез металевих наночастинок магнію. Ефективність соноелектрохімічного процесу реактиву Грінгарда в тетрагідрофурані (THF) або в розчині дибутилдигліма становила 41,35% і 33,08% відповідно. Додавання AlCl3 до розчину Gringard різко підвищило ефективність, підвищивши її до 82,70% та 51,69% у THF або дибутилдиглімі відповідно.
Соноелектрохімічне виробництво водню
Електроліз за допомогою ультразвуку значно збільшує вихід водню з води або лужних розчинів. Натисніть тут, щоб прочитати більше про ультразвуково прискорений електролітичний синтез водню!
Електрокоагуляція за допомогою ультразвуку
Застосування низькочастотного ультразвуку в системах електрокоагуляції відоме як соноелектрокоагуляція. Дослідження показують, що ультразвуковий звук позитивно впливає на електрокоагуляцію, що призводить, наприклад, до підвищення ефективності видалення гідроксидів заліза зі стічних вод. Позитивний вплив ультразвуку на електрокоагуляцію пояснюється зменшенням пасивації електродів. Низькочастотний, високоінтенсивний ультразвук руйнує наплавлений твердий шар і ефективно видаляє його, тим самим зберігаючи електроди безперервно 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, що подається і відносить 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 тонкої хімічної промисловості з ефективністю видалення фосфору 99,5% протягом 10 хв., видалення кольору та ХСК зі стоків целюлозно-паперової промисловості тощо. Повідомлялося про ефективність видалення кольорових, COD, Cr(VI), Cu(II) та P становила 100%, 95%, 100%, 97,3% та 99,84% відповідно. (пор. Аль-Кода & Аль-Шаннаг, 2018)
Соноелектрохімічна деградація забруднюючих речовин
Ультразвукові реакції електрохімічного окислення та/або відновлення застосовуються як потужний метод для розкладання хімічного забруднювача. Сономеханічні та сонохімічні механізми сприяють електрохімічному розкладанню забруднюючих речовин. Ультразвукова кавітація призводить до інтенсивного перемішування, мікроперемішування, масообміну та видалення пасивуючих шарів з електродів. Ці кавітаційні ефекти призводять головним чином до посилення масообміну твердої речовини і рідини між електродами і розчином. Сонохімічні ефекти безпосередньо впливають на молекули. При гомолітичному розщепленні молекул утворюються окислювачі з високою реакційною здатністю. У водних середовищах і в присутності кисню утворюються такі радикали, як HO•, HO2• і O• . • Відомо, що радикали ОН важливі для ефективного розкладання органічних матеріалів. В цілому соноелектрохімічна деструкція показує високу ефективність і підходить для очищення великих обсягів потоків стічних вод та інших забруднених рідин.
Наприклад, Lllanos et al. (2016) виявили, що значний синергетичний ефект був отриманий для знезараження води при інтенсифікації електрохімічної системи за допомогою ультразвуку (соноелектрохімічної дезінфекції). Було виявлено, що це збільшення швидкості дезінфекції пов'язане з пригніченням клітинних агголомератів E. coli, а також з посиленим виробництвом дезінфекційних видів.
Esclapez et al. (2010) показали, що спеціально розроблений соноелектрохімічний реактор (однак не оптимізований) використовувався під час масштабування деградації трихлороцтової кислоти (TCAA), наявність ультразвукового поля, згенерованого за допомогою UIP1000hd, забезпечила кращі результати (фракційне перетворення 97%, ефективність деградації 26%, селективність 0,92 та поточна ефективність 8%) при нижчих ультразвукових інтенсивностях та об'ємному потоці. З огляду на той факт, що передпілотний соноелектрохімічний реактор ще не був оптимізований, дуже ймовірно, що ці результати можуть бути ще більше поліпшені.
Ультразвукова вольтамперометрія та електроосадження
Електроосадження проводили гальваностатично при щільності струму 15 мА/см2. Розчини піддавали ультразвуковому дослідженню перед електроосадженням протягом 5–60 хвилин. А Хілшер Ультразвуковий апарат зондового типу UP200S використовувався при часі циклу 0,5. Ультразвукове дослідження досягалося шляхом безпосереднього занурення ультразвукового зонда в розчин. Для оцінки ультразвукового впливу на розчин перед електроосадженням використовували циклічну вольтамперометрію (СВ), яка дозволила виявити поведінку розчину і дати можливість передбачити ідеальні умови для електроосадження. Помічено, що при піддачі розчину ультразвуку перед електроосадженням починається осадження при менших негативних значеннях потенціалу. Це означає, що при одному і тому ж струмі в розчині потрібно менший потенціал, так як види в розчині поводяться активніше, ніж в неультразвукових. (пор. Юрдаль & Караган 2017)
Високопродуктивні електрохімічні зонди та реактори SonoElectroReactors
Hielscher Ultrasonics - ваш давній досвідчений партнер для високопродуктивних ультразвукових систем. Ми виробляємо та розповсюджуємо найсучасніші ультразвукові зонди та реактори, які використовуються у всьому світі для важких умов експлуатації в складних умовах. Для соноелектрохімії компанія Hielscher розробила спеціальні ультразвукові зонди, які можуть виступати в якості катода та/або анода, а також ультразвукові реакторні комірки, придатні для електрохімічних реакцій. Ультразвукові електроди та елементи випускаються для гальванічних / вольтаїчних, а також електролітичних систем.
Точно контрольовані амплітуди для оптимальних результатів
Всі ультразвукові процесори Hielscher точно управляються і тим самим надійні робочі конячки в R&Д і виробництво. Амплітуда є одним з найважливіших параметрів процесу, що впливають на ефективність і результативність сонохімічно і сономеханічно індукованих реакцій. Всі ультразвуки Hielscher’ Процесори дозволяють точно налаштовувати амплітуду. Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть забезпечувати дуже високі амплітуди та забезпечувати необхідну ультразвукову інтенсивність для вимогливих соноелектрохромних застосувань. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7.
Точні налаштування амплітуди та постійний моніторинг параметрів ультразвукового процесу за допомогою інтелектуального програмного забезпечення дають вам можливість точно впливати на соноелектрохімічну реакцію. Під час кожного ультразвукового пробігу всі ультразвукові параметри автоматично записуються на вбудовану SD-карту, щоб можна було оцінювати та контролювати кожен пробіг. Оптимальний ультразвуковий звук для найефективніших соноелектрохімічних реакцій!
Все обладнання створено для використання 24/7/365 при повному навантаженні, а його міцність і надійність роблять його робочою конячкою у вашому електрохімічному процесі. Це робить ультразвукове обладнання Hielscher надійним робочим інструментом, який відповідає вашим вимогам до соноелектрохімічного процесу.
Найвища якість – Розроблено та виготовлено в Німеччині
Як сімейний бізнес, Hielscher надає пріоритет найвищим стандартам якості для своїх ультразвукових процесорів. Всі ультразвукові апарати розроблені, виготовлені та ретельно протестовані в нашій штаб-квартирі в Тельтові поблизу Берліна, Німеччина. Міцність і надійність ультразвукового обладнання Hielscher роблять його робочою конячкою на вашому виробництві. Робота 24/7 при повному навантаженні та у складних умовах є природною характеристикою високопродуктивних ультразвукових зондів та реакторів Hielscher.
Зв'яжіться з нами зараз і розкажіть нам про свої вимоги до електрохімічного процесу! Ми порекомендуємо Вам найбільш підходящі ультразвукові електроди та налаштування реактора!
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література / Список літератури
- 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.
- Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): A Cyclic Voltammetry Study on Electrodeposition of Cu-Zn Alloy Films: Effect of Ultrasonication Time. Acta Physica Polonica Vol 132, 2017. 1087-1090.
- Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): An Introduction to Sonoelectrochemistry In: Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution, First Edition. Edited by Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, Ltd.
- Llanos, J.; Cotillas, S.; Cañizares, P.; Rodrigo, M. (2016): Conductive diamond sono-electrochemical disinfection 1 ( CDSED ) for municipal wastewater reclamation. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 22, January 2015. 493-498.
- Haas, I.: Gedanken A. (2008): Synthesis of metallic magnesium nanoparticles by sonoelectrochemistry. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795-1798.
- Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri R. (2014): Sonoelectrochemical and Electrochemical Synthesis of Polypyrrole Films on St-12 Steel and Their Corrosion and Morphological Studies. Advances in Polymer Technology Vol. 33, Issue 3; 2014.
- Esclapez, M.D.; VSáez, V.; Milán-Yáñez, D.; Tudela, I.; Louisnard, O.; González-García, J. (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry 17, 2010. 1010-1010.