Điện hóa siêu âm và những ưu điểm

Tại đây, bạn sẽ tìm thấy mọi điều cần biết về điện hóa siêu âm: nguyên lý hoạt động, ứng dụng, ưu điểm và thiết bị điện hóa siêu âm – tất cả thông tin liên quan đến điện hóa siêu âm trên một trang.

Tại sao nên ứng dụng siêu âm trong điện hóa?

Sự kết hợp giữa sóng siêu âm tần số thấp, cường độ cao với các hệ điện hóa mang lại nhiều lợi ích, giúp cải thiện hiệu suất và tốc độ chuyển hóa của các phản ứng điện hóa.

Nguyên lý hoạt động của siêu âm

Để xử lý bằng siêu âm hiệu năng cao, sóng siêu âm cường độ cao, tần số thấp được tạo ra bởi máy phát siêu âm và truyền vào chất lỏng qua đầu dò siêu âm (sonotrode). Siêu âm công suất cao được xem là siêu âm trong dải tần 16–30kHz. Đầu dò siêu âm giãn ra và co lại, chẳng hạn ở tần số 20kHz, qua đó truyền tương ứng 20.000 dao động mỗi giây vào môi trường. Khi sóng siêu âm truyền qua chất lỏng, các chu kỳ áp suất cao (nén) / áp suất thấp (giãn loãng hoặc giãn nở) luân phiên tạo ra những bọt chân không hoặc khoang rỗng cực nhỏ, lớn dần qua nhiều chu kỳ áp suất. Trong pha nén của chất lỏng và bọt, áp suất có giá trị dương, trong khi pha giãn loãng tạo ra chân không (áp suất âm). Trong các chu kỳ nén–giãn nở, các khoang rỗng trong chất lỏng lớn dần cho đến khi đạt kích thước mà tại đó chúng không thể hấp thụ thêm năng lượng. Lúc này, chúng sụp đổ dữ dội. Sự sụp đổ của các khoang rỗng này tạo ra nhiều hiệu ứng có năng lượng rất cao, được gọi là hiện tượng xâm thực âm / siêu âm. Xâm thực âm được đặc trưng bởi nhiều hiệu ứng có năng lượng rất cao, tác động đến chất lỏng, các hệ rắn/lỏng cũng như các hệ khí/lỏng. Vùng có mật độ năng lượng cao hay vùng xâm thực được gọi là vùng điểm nóng, có mật độ năng lượng cao nhất ở ngay gần đầu dò siêu âm và giảm dần khi khoảng cách tới sonotrode tăng lên. Các đặc điểm chính của xâm thực siêu âm bao gồm nhiệt độ và áp suất cục bộ rất cao cùng các chênh lệch nhiệt độ và áp suất tương ứng, dòng chảy rối và dòng chảy chất lỏng. Trong quá trình các khoang xâm thực siêu âm sụp đổ tại các điểm nóng siêu âm, có thể đo được nhiệt độ lên đến 5000 kelvin, áp suất lên đến 200 át-mốt-phe và các tia chất lỏng có tốc độ lên đến 1000km/h. Những điều kiện có mức năng lượng cao vượt trội này góp phần tạo ra các hiệu ứng cơ học siêu âm và hóa học siêu âm, giúp tăng cường các hệ điện hóa theo nhiều cách.

Tác động của siêu âm lên các hệ điện hóa

Việc ứng dụng xử lý siêu âm vào các phản ứng điện hóa được biết đến với nhiều tác động lên các điện cực, tức là anốt và catốt, cũng như lên dung dịch điện ly. Hiện tượng xâm thực siêu âm và dòng chảy âm tạo ra chuyển động vi mô đáng kể, các tia chất lỏng va đập và sự khuấy trộn trong chất lỏng phản ứng. Điều này cải thiện đặc tính thủy động lực học và chuyển động của hỗn hợp lỏng/rắn. Hiện tượng xâm thực siêu âm làm giảm độ dày hiệu dụng của lớp khuếch tán tại điện cực. Lớp khuếch tán mỏng hơn có nghĩa là xử lý siêu âm giảm thiểu sự chênh lệch nồng độ, tức là siêu âm thúc đẩy nồng độ ở vùng lân cận điện cực và nồng độ trong khối dung dịch tiến gần nhau. Tác động của sự khuấy trộn bằng siêu âm lên gradient nồng độ trong quá trình phản ứng bảo đảm dung dịch mới được cấp liên tục đến điện cực và vật chất đã phản ứng được đưa đi. Điều này có nghĩa là xử lý siêu âm cải thiện động học tổng thể, tăng tốc độ phản ứng và tăng hiệu suất phản ứng.
Nhờ đưa năng lượng siêu âm vào hệ thống cũng như tạo ra các gốc tự do bằng tác động hóa siêu âm, có thể khởi phát phản ứng điện hóa vốn sẽ không có hoạt tính điện hóa nếu không có các tác động này. Một tác động quan trọng khác của dao động âm và dòng chảy âm là làm sạch bề mặt điện cực. Các lớp thụ động hóa và cặn bám trên điện cực hạn chế hiệu suất và tốc độ của các phản ứng điện hóa. Xử lý siêu âm giữ cho các điện cực luôn sạch và duy trì đầy đủ hoạt tính phản ứng. Xử lý siêu âm được biết đến rộng rãi nhờ tác dụng khử khí, cũng có lợi cho các phản ứng điện hóa. Khi các khí không mong muốn được loại bỏ khỏi chất lỏng, phản ứng có thể diễn ra hiệu quả hơn.

Các ứng dụng của điện hóa siêu âm

Điện hóa siêu âm có thể được ứng dụng vào nhiều quy trình và trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Các ứng dụng rất phổ biến của điện hóa siêu âm bao gồm:

• Tổng hợp hạt nano (tổng hợp điện hóa)
• Tổng hợp hydro
• Keo tụ điện hóa
• Xử lý nước thải
• Phá nhũ tương
• Mạ điện / Lắng đọng điện hóa
• Gia nhiệt điện trở

Tổng hợp hạt nano bằng điện hóa siêu âm

Xử lý siêu âm đã được ứng dụng thành công để tổng hợp nhiều loại hạt nano trong hệ thống điện hóa. Magnetit, ống nano cadimi–selen (CdSe), hạt nano (NPs) platin, NPs vàng, magiê kim loại, bismuthene, bạc nano, đồng siêu mịn, hạt nano hợp kim vonfram–coban (W–Co), vật liệu nanocompozit oxit samari/graphen oxit khử, hạt nano đồng có kích thước dưới 1nm được bao phủ bằng poly(axit acrylic) và nhiều loại bột kích thước nano khác đã được sản xuất thành công bằng điện hóa siêu âm.
Các ưu điểm của việc tổng hợp hạt nano bằng điện hóa siêu âm bao gồm

• tránh sử dụng chất khử và chất hoạt động bề mặt
• sử dụng nước làm dung môi
• điều chỉnh kích thước hạt nano bằng cách thay đổi các thông số (công suất siêu âm, mật độ dòng điện, điện thế lắng đọng và thời gian xung siêu âm so với thời gian xung điện hóa)

Ashasssi-Sorkhabi và Bagheri (2014) đã tổng hợp các màng polypyrrole bằng phương pháp điện hóa siêu âm và so sánh kết quả với các màng polypyrrole được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa. Kết quả cho thấy quá trình điện kết tủa siêu âm ở chế độ dòng điện không đổi đã tạo ra một màng polypyrrole (PPy) nhẵn, bám dính chắc trên thép, với mật độ dòng điện 4 mA cm–2 trong dung dịch axit oxalic 0,1 M/pyrrole 0,1 M. Sử dụng phương pháp trùng hợp điện hóa siêu âm, họ đã thu được các màng PPy có khả năng chống chịu cao và dai với bề mặt nhẵn. Các lớp phủ PPy được tạo ra bằng phương pháp điện hóa siêu âm đã được chứng minh là có khả năng bảo vệ đáng kể thép St-12 khỏi sự ăn mòn. Lớp phủ được tổng hợp có độ đồng đều và khả năng chống ăn mòn cao. Tất cả những kết quả này có thể là do siêu âm đã tăng cường sự truyền khối của các chất phản ứng và tạo ra tốc độ phản ứng hóa học cao thông qua hiện tượng xâm thực âm cùng nhiệt độ và áp suất cao phát sinh từ hiện tượng này. Tính hợp lệ của dữ liệu trở kháng đối với bề mặt phân cách giữa thép St-12/hai lớp phủ PPy/môi trường ăn mòn đã được kiểm tra bằng các phép biến đổi KK, và ghi nhận được sai số trung bình thấp.

Hass và Gedanken (2008) đã báo cáo việc tổng hợp thành công các hạt nano magiê kim loại bằng phương pháp điện hóa siêu âm. Hiệu suất trong quá trình điện hóa siêu âm của thuốc thử Gringard trong tetrahydrofuran (THF) hoặc trong dung dịch dibutyldiglyme lần lượt là 41,35% và 33,08%. Việc bổ sung AlCl3 vào dung dịch Gringard đã làm tăng mạnh hiệu suất, nâng hiệu suất lên lần lượt 82,70% và 51,69% trong THF hoặc dibutyldiglyme.

Sản xuất hydro bằng phương pháp điện hóa siêu âm

Quá trình điện phân được tăng cường bằng siêu âm làm tăng đáng kể sản lượng hydro từ nước hoặc dung dịch kiềm. Nhấp vào đây để đọc thêm về quá trình tổng hợp hydro bằng điện phân được tăng tốc bằng siêu âm!

Keo tụ điện hóa có hỗ trợ siêu âm

Việc ứng dụng siêu âm tần số thấp vào các hệ thống keo tụ điện hóa được gọi là keo tụ điện hóa siêu âm. Các nghiên cứu cho thấy xử lý bằng siêu âm có tác động tích cực đến quá trình keo tụ điện hóa, chẳng hạn như làm tăng hiệu suất loại bỏ các hydroxit sắt khỏi nước thải. Tác động tích cực của siêu âm đối với quá trình keo tụ điện hóa được giải thích là do sự giảm thụ động hóa điện cực. Siêu âm tần số thấp, cường độ cao phá vỡ lớp chất rắn lắng đọng và loại bỏ chúng một cách hiệu quả, nhờ đó duy trì các điện cực liên tục ở trạng thái hoạt động hoàn toàn. Hơn nữa, siêu âm hoạt hóa cả hai loại ion, tức là cation và anion, có mặt trong vùng phản ứng của các điện cực. Sự khuấy trộn bằng siêu âm tạo ra chuyển động vi mô mạnh trong dung dịch, đưa nguyên liệu đến các điện cực và mang sản phẩm ra khỏi các điện cực.
Các ví dụ về những quá trình keo tụ điện hóa siêu âm thành công bao gồm khử Cr(VI) thành Cr(III) trong nước thải dược phẩm, loại bỏ tổng phốt pho khỏi nước thải của ngành công nghiệp hóa chất tinh khiết với hiệu suất loại bỏ phốt pho đạt 99,5% trong vòng 10 min., loại bỏ màu và COD khỏi nước thải của ngành công nghiệp bột giấy và giấy, v.v. Hiệu suất loại bỏ màu, COD, Cr(VI), Cu(II) và P được báo cáo lần lượt là 100%, 95%, 100%, 97,3% và 99,84%. (xem Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Phân hủy các chất ô nhiễm bằng phương pháp điện hóa siêu âm

Các phản ứng oxy hóa và/hoặc khử điện hóa được tăng cường bằng siêu âm được áp dụng như một phương pháp mạnh để phân hủy chất ô nhiễm hóa học. Các cơ chế cơ học siêu âm và hóa học siêu âm thúc đẩy quá trình phân hủy điện hóa các chất ô nhiễm. Sự xâm thực được tạo ra bằng siêu âm gây khuấy trộn mạnh, trộn vi mô, truyền khối và loại bỏ các lớp thụ động hóa khỏi điện cực. Các hiệu ứng xâm thực này chủ yếu tăng cường sự truyền khối rắn–lỏng giữa điện cực và dung dịch. Các hiệu ứng hóa học siêu âm tác động trực tiếp đến các phân tử. Sự phân cắt đồng ly các phân tử tạo ra các chất oxy hóa có hoạt tính cao. Trong môi trường nước và khi có oxy, các gốc tự do như HO•, HO2• và O• được tạo ra. Các gốc •OH được biết là đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy hiệu quả các vật liệu hữu cơ. Nhìn chung, quá trình phân hủy điện hóa siêu âm cho thấy hiệu suất cao và phù hợp để xử lý các dòng nước thải có thể tích lớn cùng các chất lỏng ô nhiễm khác.
Ví dụ, Lllanos và cộng sự (2016) nhận thấy hiệu ứng hiệp đồng đáng kể trong quá trình khử trùng nước khi hệ thống điện hóa được tăng cường bằng xử lý siêu âm (khử trùng điện hóa siêu âm). Sự gia tăng tốc độ khử trùng này được xác định là có liên quan đến việc hạn chế các cụm kết tụ tế bào E. coli cũng như tăng cường tạo ra các tác nhân khử trùng. 
Esclapez và cộng sự (2010) cho thấy khi sử dụng một thiết bị phản ứng điện hóa siêu âm được thiết kế chuyên biệt (tuy nhiên chưa được tối ưu hóa) trong quá trình mở rộng quy mô phân hủy axit trichloroacetic (TCAA), sự hiện diện của trường siêu âm do UIP1000hd tạo ra mang lại kết quả tốt hơn (tỷ lệ chuyển hóa 97%, hiệu suất phân hủy 26%, độ chọn lọc 0,92 và hiệu suất dòng điện 8%) ở cường độ siêu âm và lưu lượng thể tích thấp hơn. Xét đến việc thiết bị phản ứng điện hóa siêu âm ở quy mô tiền thí điểm chưa được tối ưu hóa, rất có khả năng những kết quả này còn có thể được cải thiện hơn nữa.

Phép đo vôn–ampe siêu âm và lắng đọng điện hóa

Quá trình lắng đọng điện hóa được thực hiện ở chế độ dòng điện không đổi với mật độ dòng điện 15 mA/cm2. Các dung dịch được xử lý siêu âm trong 5–60 phút trước khi lắng đọng điện hóa. Một máy siêu âm Hielscher UP200S dạng đầu dò được sử dụng với thời gian chu kỳ 0,5. Quá trình xử lý siêu âm được thực hiện bằng cách nhúng trực tiếp đầu dò siêu âm vào dung dịch. Để đánh giá tác động của siêu âm lên dung dịch trước khi lắng đọng điện hóa, phép đo vôn–ampe vòng (CV) được sử dụng nhằm làm rõ đặc tính của dung dịch và cho phép dự đoán các điều kiện lý tưởng cho quá trình lắng đọng điện hóa. Quan sát cho thấy khi dung dịch được xử lý siêu âm trước khi lắng đọng điện hóa, quá trình lắng đọng bắt đầu ở các giá trị điện thế ít âm hơn. Điều này có nghĩa là với cùng một dòng điện trong dung dịch, điện thế cần thiết thấp hơn, vì các tiểu phân trong dung dịch hoạt động mạnh hơn so với trong các dung dịch không được xử lý siêu âm. (xem Yurdal & Karahan 2017)
Đọc thêm về quá trình lắng đọng điện hóa siêu âm các lớp phủ được tăng cường bằng vật liệu nano!

Đầu dò điện hóa hiệu năng cao và SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics là đối tác giàu kinh nghiệm lâu năm của bạn về các hệ thống siêu âm hiệu năng cao. Chúng tôi sản xuất và phân phối các đầu dò siêu âm và thiết bị phản ứng tiên tiến nhất, được sử dụng trên toàn thế giới cho các ứng dụng tải nặng trong môi trường khắc nghiệt. Đối với điện hóa siêu âm, Hielscher đã phát triển các đầu dò siêu âm đặc biệt có thể hoạt động như catốt và/hoặc anốt, cũng như các buồng phản ứng siêu âm phù hợp với các phản ứng điện hóa. Điện cực và buồng phản ứng siêu âm có sẵn cho cả hệ thống pin galvanic / voltaic và hệ thống điện phân.

Biên độ có thể được điều khiển chính xác để đạt kết quả tối ưu

Tất cả các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher đều có thể được điều khiển chính xác, nhờ đó trở thành thiết bị chủ lực đáng tin cậy trong nghiên cứu và phát triển cũng như sản xuất. Biên độ là một trong những thông số quy trình then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu quả của các phản ứng được kích hoạt bằng tác động hóa học và cơ học của siêu âm. Tất cả các thiết bị xử lý của Hielscher Ultrasonics đều cho phép cài đặt biên độ chính xác. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher có thể tạo ra biên độ rất cao và cung cấp cường độ siêu âm cần thiết cho các ứng dụng điện hóa siêu âm có yêu cầu khắt khe. Có thể dễ dàng duy trì biên độ lên đến 200µm liên tục khi vận hành 24/7.
Việc cài đặt biên độ chính xác và giám sát liên tục các thông số của quá trình siêu âm thông qua phần mềm thông minh cho phép bạn tác động chính xác đến phản ứng điện hóa siêu âm. Trong mỗi lần xử lý siêu âm, tất cả các thông số siêu âm đều được tự động ghi lại trên thẻ SD tích hợp, nhờ đó có thể đánh giá và kiểm soát từng lần xử lý. Xử lý siêu âm tối ưu để các phản ứng điện hóa siêu âm đạt hiệu suất cao nhất!
Tất cả thiết bị đều được chế tạo để sử dụng 24/7/365 ở mức đầy tải, đồng thời độ bền và độ tin cậy giúp chúng trở thành thiết bị chủ lực trong quy trình điện hóa của bạn. Điều này khiến thiết bị siêu âm của Hielscher trở thành công cụ làm việc đáng tin cậy, đáp ứng các yêu cầu của quy trình điện hóa siêu âm của bạn.

Chất lượng cao nhất – Được thiết kế và sản xuất tại Đức

Là doanh nghiệp do gia đình sở hữu và điều hành, Hielscher ưu tiên các tiêu chuẩn chất lượng cao nhất cho các thiết bị xử lý siêu âm của mình. Tất cả các thiết bị siêu âm đều được thiết kế, sản xuất và kiểm tra kỹ lưỡng tại trụ sở chính của chúng tôi ở Teltow gần Berlin, Đức. Độ bền và độ tin cậy của thiết bị siêu âm Hielscher giúp chúng trở thành thiết bị chủ lực trong hoạt động sản xuất của bạn. Khả năng vận hành 24/7 ở mức đầy tải và trong môi trường khắt khe là đặc tính vốn có của các đầu dò và thiết bị phản ứng siêu âm hiệu năng cao của Hielscher.

Hãy liên hệ với chúng tôi ngay và cho chúng tôi biết các yêu cầu về quy trình điện hóa của bạn! Chúng tôi sẽ đề xuất các điện cực siêu âm và cấu hình thiết bị phản ứng phù hợp nhất cho bạn!