Điện siêu âm – Điện cực siêu âm

Điện siêu âm là sự kết hợp giữa tác động của điện và tác động của quá trình xử lý bằng siêu âm. Hielscher Ultrasonics đã phát triển một phương pháp mới và tinh tế để sử dụng bất kỳ đầu siêu âm nào làm điện cực. Phương pháp này đưa năng lượng siêu âm trực tiếp đến bề mặt tiếp xúc giữa điện cực siêu âm và chất lỏng. Tại đó, siêu âm có thể thúc đẩy quá trình điện phân, cải thiện sự truyền khối và phá vỡ các lớp biên hoặc lớp lắng đọng. Hielscher cung cấp thiết bị đạt tiêu chuẩn sản xuất cho các quy trình điện siêu âm theo mẻ và trên dòng chảy ở mọi quy mô. Bạn có thể kết hợp điện siêu âm với siêu âm kết hợp áp suất và siêu âm kết hợp nhiệt độ.

Ứng dụng của điện cực siêu âm

Việc ứng dụng siêu âm cho điện cực là một công nghệ mới mang lại lợi ích cho nhiều quy trình khác nhau trong điện phân, mạ kẽm, tinh sạch bằng điện, tạo hydro và keo tụ điện hóa, tổng hợp hạt hoặc các phản ứng điện hóa khác. Hielscher Ultrasonics có sẵn các điện cực siêu âm phục vụ nghiên cứu và phát triển trong điện phân ở quy mô phòng thí nghiệm hoặc quy mô thí điểm. Sau khi thử nghiệm và tối ưu hóa quy trình điện phân, bạn có thể sử dụng thiết bị siêu âm quy mô sản xuất của Hielscher Ultrasonics để mở rộng các kết quả của quy trình lên quy mô sản xuất công nghiệp. Dưới đây là những đề xuất và khuyến nghị về việc sử dụng điện cực siêu âm.

Điện phân siêu âm (điện phân có hỗ trợ siêu âm)

Điện phân là sự chuyển đổi qua lại giữa nguyên tử và ion thông qua việc loại bỏ hoặc bổ sung electron dưới tác dụng của dòng điện. Các sản phẩm điện phân có thể có trạng thái vật lý khác với chất điện ly. Điện phân có thể tạo ra chất rắn, chẳng hạn như kết tủa hoặc các lớp rắn trên một trong hai điện cực. Ngoài ra, điện phân có thể tạo ra các khí như hydro, clo hoặc oxy. Sự khuấy động điện cực bằng siêu âm có thể phá vỡ các lớp lắng đọng rắn trên bề mặt điện cực. Quá trình khử khí bằng siêu âm nhanh chóng tạo ra các bọt khí lớn hơn từ khí hòa tan của các vi bọt khí. Điều này giúp các sản phẩm khí tách khỏi chất điện ly nhanh hơn.

Thiết bị siêu âm UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) làm catốt và/hoặc anốt trong bình điện phân

Tăng cường truyền khối tại bề mặt điện cực bằng siêu âm

Trong quá trình điện phân, các sản phẩm tích tụ gần điện cực hoặc trên bề mặt điện cực. Khuấy động bằng siêu âm là một công cụ rất hiệu quả để tăng cường truyền khối tại các lớp biên. Hiệu ứng này đưa chất điện ly mới tiếp xúc với bề mặt điện cực. Dòng chảy do xâm thực vận chuyển các sản phẩm điện phân, chẳng hạn như khí hoặc chất rắn, ra khỏi bề mặt điện cực. Nhờ đó, ngăn ngừa sự hình thành các lớp cách điện gây cản trở.

Ảnh hưởng của siêu âm đến thế phân hủy

Sự khuấy động anốt, catốt hoặc cả hai điện cực bằng siêu âm có thể ảnh hưởng đến thế phân hủy hoặc điện áp phân hủy. Chỉ riêng hiện tượng xâm thực đã được biết là có khả năng phá vỡ phân tử, tạo ra các gốc tự do hoặc ozon. Sự kết hợp giữa xâm thực và điện phân trong quá trình điện phân được tăng cường bằng siêu âm có thể ảnh hưởng đến điện áp tối thiểu cần thiết giữa anốt và catốt của bình điện phân để quá trình điện phân xảy ra. Các tác động cơ học và hóa siêu âm của hiện tượng xâm thực cũng có thể cải thiện hiệu suất năng lượng của quá trình điện phân.

Siêu âm trong tinh luyện điện phân và thu hồi kim loại bằng điện phân

Trong quá trình tinh luyện điện phân, các lớp kim loại rắn lắng đọng, chẳng hạn như đồng, có thể được chuyển thành huyền phù gồm các hạt rắn trong chất điện ly. Trong quá trình thu hồi kim loại bằng điện phân, còn gọi là chiết tách bằng điện, sự điện kết tủa kim loại từ quặng có thể được chuyển thành kết tủa rắn. Các kim loại thường được thu hồi bằng điện phân là chì, đồng, vàng, bạc, kẽm, nhôm, crom, coban, mangan, cùng các kim loại đất hiếm và kim loại kiềm.
Xử lý bằng siêu âm cũng là một biện pháp hiệu quả để hòa tách quặng.

Tinh sạch chất lỏng bằng điện phân siêu âm

Làm sạch chất lỏng, ví dụ như dung dịch nước như nước thải, bùn hoặc các chất tương tự, bằng cách dẫn dung dịch qua điện trường của hai điện cực! Điện phân có thể khử trùng hoặc làm sạch các dung dịch nước. Việc đưa dung dịch NaCI cùng với nước qua các điện cực hoặc ngang qua các điện cực tạo ra Cl2 hoặc CIO2, có thể oxy hóa tạp chất và khử trùng nước hoặc dung dịch nước. Nếu nước chứa đủ clorua tự nhiên thì không cần bổ sung.
Dao động siêu âm của điện cực có thể làm cho lớp biên giữa điện cực và nước mỏng nhất có thể. Điều này có thể cải thiện quá trình truyền khối thêm nhiều bậc độ lớn. Dao động siêu âm và hiện tượng xâm thực làm giảm đáng kể sự hình thành các bọt khí cực nhỏ do phân cực. Việc sử dụng điện cực siêu âm để điện phân cải thiện đáng kể quá trình làm sạch bằng điện phân.

Keo tụ điện kết hợp siêu âm (Keo tụ điện siêu âm)

Keo tụ điện là phương pháp xử lý nước thải để loại bỏ các chất ô nhiễm như dầu nhũ hóa, tổng hydrocacbon dầu mỏ, các chất hữu cơ khó phân hủy, chất rắn lơ lửng và kim loại nặng. Các ion phóng xạ cũng có thể được loại bỏ để làm sạch nước. Việc bổ sung xử lý siêu âm vào quá trình keo tụ điện, còn gọi là keo tụ điện kết hợp siêu âm, có tác động tích cực đến hiệu suất giảm nhu cầu oxy hóa học hoặc loại bỏ độ đục. Các quy trình xử lý kết hợp keo tụ điện đã cho thấy hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm khỏi nước thải công nghiệp được cải thiện đáng kể. Việc tích hợp một bước tạo gốc tự do, chẳng hạn như xâm thực siêu âm, với keo tụ điện cho thấy tác dụng hiệp đồng và cải thiện toàn bộ quá trình làm sạch. Mục đích sử dụng các hệ thống lai siêu âm – điện phân này là tăng hiệu suất xử lý tổng thể và loại bỏ các nhược điểm của quy trình xử lý thông thường. Các thiết bị phản ứng lai siêu âm – keo tụ điện đã được chứng minh là có khả năng bất hoạt Escherichia coli trong nước.

Thiết bị siêu âm UIP2000hdT (2000 watt, 20kHz) làm catot siêu âm và/hoặc anot siêu âm trong bể

Tạo thuốc thử hoặc chất phản ứng tại chỗ bằng điện phân kết hợp siêu âm

Nhiều quá trình hóa học, chẳng hạn như phản ứng dị thể hoặc xúc tác, được hưởng lợi từ sự khuấy động bằng siêu âm và hiện tượng xâm thực siêu âm. Tác động hóa siêu âm có thể tăng tốc độ phản ứng hoặc cải thiện hiệu suất chuyển hóa.
Các điện cực được khuấy động bằng siêu âm bổ sung một công cụ mạnh mẽ mới cho các phản ứng hóa học. Giờ đây, bạn có thể kết hợp lợi ích của hóa siêu âm với điện phân. Tạo hydro, ion hydroxit, hypoclorit và nhiều ion hoặc chất trung hòa khác ngay trong trường xâm thực siêu âm. Các sản phẩm điện phân có thể đóng vai trò là thuốc thử hoặc chất phản ứng trong phản ứng hóa học.

Kết hợp siêu âm với điện trường xung

Sự kết hợp giữa điện trường xung (PEF) và siêu âm (US) có tác động tích cực đến việc chiết xuất các hợp chất hóa lý, các hợp chất có hoạt tính sinh học và cấu trúc hóa học của dịch chiết. Trong quá trình chiết xuất hạnh nhân, phương pháp xử lý kết hợp (PEF–US) đã tạo ra hàm lượng phenolic tổng số, flavonoid tổng số, tanin ngưng tụ, anthocyanin và hoạt tính chống oxy hóa cao nhất. Phương pháp này làm giảm công suất và hoạt tính tạo phức chelat với kim loại.
Siêu âm (US) và điện trường xung (PEF) có thể được sử dụng để nâng cao hiệu suất quá trình và tốc độ sản xuất trong các quá trình lên men bằng cách cải thiện sự truyền khối và tính thấm của tế bào.
Sự kết hợp giữa điện trường xung và xử lý siêu âm có tác động đến động học sấy bằng không khí và chất lượng rau củ sấy khô, chẳng hạn như cà rốt. Thời gian sấy có thể giảm từ 20 đến 40%, đồng thời vẫn duy trì các đặc tính tái hydrat hóa.

Điện hóa kết hợp siêu âm / Điện hóa siêu âm

Bổ sung quá trình điện phân được tăng cường bằng siêu âm để tạo ra các chất phản ứng hoặc tiêu thụ các sản phẩm của phản ứng hóa học nhằm dịch chuyển cân bằng cuối cùng của phản ứng hóa học hoặc thay đổi con đường phản ứng hóa học.

Cấu hình đề xuất cho điện cực siêu âm

Thiết kế đổi mới dành cho thiết bị siêu âm dạng đầu dò biến một đầu sonotrode siêu âm tiêu chuẩn thành điện cực rung siêu âm. Điều này giúp công nghệ siêu âm cho điện cực trở nên dễ tiếp cận hơn, dễ tích hợp hơn và dễ mở rộng lên quy mô sản xuất. Các thiết kế khác chỉ khuấy động chất điện phân giữa hai điện cực không được khuấy động. Hiện tượng che khuất và các kiểu lan truyền sóng siêu âm tạo ra kết quả kém hơn so với việc khuấy động trực tiếp điện cực. Bạn có thể bổ sung rung động siêu âm cho anốt hoặc catốt tương ứng. Tất nhiên, bạn có thể thay đổi điện áp và cực tính của các điện cực bất cứ lúc nào. Các điện cực của Hielscher Ultrasonics dễ dàng được lắp bổ sung vào các hệ thống hiện có.

Buồng điện phân siêu âm kín và các thiết bị phản ứng điện hóa

Có sẵn bộ phận làm kín chịu áp giữa đầu sonotrode siêu âm (điện cực) và bình phản ứng. Vì vậy, bạn có thể vận hành buồng điện phân ở áp suất khác với áp suất môi trường. Sự kết hợp giữa siêu âm và áp suất được gọi là mano-sonication. Điều này có thể hữu ích nếu quá trình điện phân tạo ra khí, khi làm việc ở nhiệt độ cao hơn hoặc khi làm việc với các thành phần chất lỏng dễ bay hơi. Một thiết bị phản ứng điện hóa được làm kín chặt có thể vận hành ở áp suất cao hơn hoặc thấp hơn áp suất môi trường. Bộ phận làm kín giữa điện cực siêu âm và thiết bị phản ứng có thể được chế tạo để dẫn điện hoặc cách điện. Phương án cách điện cho phép sử dụng thành thiết bị phản ứng làm điện cực thứ hai. Tất nhiên, thiết bị phản ứng có thể có các cổng vào và ra để hoạt động như một thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy cho các quá trình liên tục. Hielscher Ultrasonics cung cấp nhiều loại thiết bị phản ứng tiêu chuẩn hóa và buồng dòng chảy có áo trao đổi nhiệt. Ngoài ra, bạn có thể lựa chọn trong số nhiều loại bộ chuyển đổi để lắp các đầu sonotrode Hielscher vào thiết bị phản ứng điện hóa của mình.

Bố trí đồng tâm trong thiết bị phản ứng dạng ống

Nếu điện cực được khuấy động bằng siêu âm nằm gần một điện cực thứ hai không được khuấy động hoặc gần thành thiết bị phản ứng, sóng siêu âm sẽ lan truyền qua chất lỏng và cũng tác động lên các bề mặt khác. Một điện cực được khuấy động bằng siêu âm và bố trí đồng tâm trong ống hoặc trong thiết bị phản ứng có thể giữ cho các thành bên trong không bị bám bẩn hoặc tích tụ chất rắn.

Nhiệt độ

Khi sử dụng các đầu sonotrode Hielscher tiêu chuẩn làm điện cực, nhiệt độ chất điện phân có thể nằm trong khoảng từ 0 đến 80 độ C. Các đầu sonotrode dành cho những nhiệt độ chất điện phân khác trong phạm vi từ -273 độ C đến 500 độ C được cung cấp theo yêu cầu. Sự kết hợp giữa siêu âm và nhiệt độ được gọi là thermo-sonication.

Độ nhớt

Nếu độ nhớt của chất điện phân cản trở quá trình truyền khối, việc khuấy trộn bằng siêu âm trong quá trình điện phân có thể có lợi vì giúp cải thiện sự vận chuyển vật chất đến và đi khỏi các điện cực.

Điện phân siêu âm với dòng điện đập mạch

Dòng điện đập mạch trên các điện cực được khuấy động bằng siêu âm tạo ra các sản phẩm khác với khi sử dụng dòng điện một chiều (DC). Ví dụ, dòng điện đập mạch có thể làm tăng tỷ lệ ozon so với oxy được tạo ra tại anốt khi điện phân dung dịch axit trong nước, chẳng hạn như axit sulfuric loãng. Điện phân etanol bằng dòng điện xung tạo ra một anđehit thay vì chủ yếu tạo ra một axit.

Thiết bị siêu âm kết hợp điện

Hielscher Ultrasonics đã phát triển một bộ nâng cấp điện hóa siêu âm đặc biệt dành cho các bộ chuyển đổi công nghiệp. Bộ chuyển đổi sau khi nâng cấp hoạt động với hầu hết các loại đầu sonotrode Hielscher.

Điện cực siêu âm (đầu sonotrode)

Các đầu sonotrode được cách ly điện với bộ phát siêu âm. Vì vậy, bạn có thể đặt điện áp lên đầu sonotrode siêu âm để đầu sonotrode có thể hoạt động như một điện cực. Khe hở cách điện tiêu chuẩn giữa các đầu sonotrode và tiếp điểm nối đất là 2,5 mm. Do đó, bạn có thể đặt điện áp lên đến 2500 vôn lên đầu sonotrode. Các đầu sonotrode tiêu chuẩn có cấu tạo đặc và được làm bằng titan. Vì vậy, hầu như không có giới hạn đối với dòng điện qua điện cực. Titan có khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều chất điện ly có tính kiềm hoặc axit. Có thể sử dụng các vật liệu khác để chế tạo đầu sonotrode, chẳng hạn như nhôm (Al), thép (Fe), thép không gỉ, niken–crom–molypden hoặc niobi. Hielscher cung cấp các đầu sonotrode làm anốt hy sinh với chi phí hợp lý, ví dụ như được làm bằng nhôm hoặc thép.

Bộ phát siêu âm, bộ nguồn

Bộ phát siêu âm không cần bất kỳ sửa đổi nào và sử dụng ổ cắm điện tiêu chuẩn có nối đất. Tất nhiên, bộ khuếch đại cơ học của bộ chuyển đổi và tất cả các bề mặt bên ngoài của bộ chuyển đổi và bộ phát đều được nối với tiếp điểm nối đất của ổ cắm điện. Đầu sonotrode và một bộ phận giằng đỡ là những bộ phận duy nhất được nối với điện áp điện cực. Điều này giúp việc thiết kế hệ thống trở nên thuận tiện hơn. Bạn có thể nối đầu sonotrode với nguồn điện một chiều (DC), điện một chiều dạng xung hoặc điện xoay chiều (AC). Các điện cực siêu âm có thể được vận hành tương ứng như anốt hoặc catốt.

Thiết bị sản xuất cho các quá trình điện hóa kết hợp siêu âm

Bạn có thể sử dụng bất kỳ thiết bị siêu âm Hielscher nào, chẳng hạn như UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT hoặc UIP4000hdT, để truyền công suất siêu âm lên đến 4000 oát vào bất kỳ đầu sonotrode hoặc cascatrode tiêu chuẩn nào. Cường độ siêu âm trên bề mặt đầu sonotrode có thể nằm trong khoảng từ 1 oát đến 100 oát trên mỗi xentimét vuông. Có sẵn các đầu sonotrode với hình dạng khác nhau và biên độ từ 1 micromet đến 150 micromet (đỉnh–đỉnh). Tần số siêu âm 20kHz rất hiệu quả trong việc tạo ra hiện tượng xâm thực và dòng chảy âm trong chất điện ly. Các thiết bị siêu âm Hielscher có thể hoạt động 24 giờ mỗi ngày, bảy ngày mỗi tuần. Bạn có thể vận hành liên tục ở công suất đầu ra tối đa hoặc vận hành dạng xung, ví dụ để làm sạch điện cực định kỳ. Hielscher Ultrasonics có thể cung cấp các điện cực siêu âm với công suất siêu âm (khuấy động cơ học) lên đến 16 kilôoát cho mỗi điện cực riêng lẻ. Hầu như không có giới hạn đối với công suất điện mà bạn có thể cấp cho các điện cực.

Thêm một ứng dụng nữa: Phun tĩnh điện kết hợp siêu âm

Hielscher Ultrasonics chế tạo thiết bị để phun, tạo sương, tán sương hoặc tạo sol khí từ chất lỏng. Đầu sonotrode phun siêu âm có thể truyền điện tích dương cho sương chất lỏng hoặc sol khí. Điều này kết hợp phun siêu âm với công nghệ phun tĩnh điện, ví dụ cho các quá trình phủ.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.