Sono-Electrochemistry và ưu điểm của nó

Tại đây bạn sẽ tìm thấy tất cả những gì bạn cần biết về điện hóa siêu âm (sonoelectrochemistry): nguyên lý làm việc, ứng dụng, ưu điểm và thiết bị điện hóa sono – tất cả thông tin liên quan về sonoelectrochemistry trên một trang.

Tại sao nên áp dụng siêu âm vào điện hóa?

Sự kết hợp giữa sóng siêu âm tần số thấp, cường độ cao với các hệ thống điện hóa đi kèm với nhiều lợi ích, giúp cải thiện hiệu quả và tỷ lệ chuyển đổi của các phản ứng điện hóa.

Nguyên lý hoạt động của siêu âm

Để xử lý siêu âm hiệu suất cao, siêu âm cường độ cao, tần số thấp được tạo ra bởi máy phát siêu âm và truyền qua đầu dò siêu âm (sonotrode) vào chất lỏng. Siêu âm công suất cao được coi là siêu âm trong khoảng 16-30kHz. Đầu dò siêu âm giãn nở và co lại, ví dụ, ở 20kHz, do đó truyền tương ứng 20.000 rung động mỗi giây vào môi trường. Khi sóng siêu âm truyền qua chất lỏng, các chu kỳ áp suất cao (nén)? áp suất thấp (hiếm hoặc giãn nở) xen kẽ tạo ra các bong bóng chân không hoặc khoang nhỏ, phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất. Trong giai đoạn nén của chất lỏng và bong bóng, áp suất dương, trong khi giai đoạn khan hiếm tạo ra chân không (áp suất âm). Trong các chu kỳ nén-giãn nén, các khoang trong chất lỏng phát triển cho đến khi chúng đạt đến kích thước, tại đó chúng không thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn. Tại thời điểm này, chúng nổ tung dữ dội. Sự nổ tung của các khoang đó dẫn đến các hiệu ứng năng lượng cao khác nhau, được gọi là hiện tượng xâm thực âm thanh? siêu âm. Xâm thực âm thanh được đặc trưng bởi các hiệu ứng năng lượng cao, tác động đến chất lỏng, hệ thống rắn? lỏng cũng như hệ thống khí? lỏng. Vùng mật độ năng lượng hoặc vùng xâm thực được gọi là vùng điểm nóng, có mật độ năng lượng cao nhất ở vùng lân cận gần đầu dò siêu âm và giảm dần theo khoảng cách ngày càng tăng từ sonotrode. Các đặc điểm chính của xâm thực siêu âm bao gồm nhiệt độ và áp suất rất cao xảy ra cục bộ và chênh lệch, nhiễu loạn và dòng chất lỏng tương ứng. Trong quá trình nổ các khoang siêu âm trong các điểm nóng siêu âm, có thể đo nhiệt độ lên đến 5000 Kelvin, áp suất lên đến 200 atm và tia chất lỏng lên đến 1000km? h. Những điều kiện cường độ năng lượng vượt trội này góp phần tạo ra các hiệu ứng siêu âm và siêu âm tăng cường hệ thống điện hóa theo nhiều cách khác nhau.

Ảnh hưởng của siêu âm đối với hệ thống điện hóa

Ứng dụng siêu âm cho các phản ứng điện hóa được biết đến với các tác động khác nhau đối với các điện cực, tức là cực dương và cực âm, cũng như dung dịch điện phân. Siêu âm xâm thực và luồng âm thanh tạo ra chuyển động vi mô đáng kể, tác động vào các tia chất lỏng và khuấy động vào chất lỏng phản ứng. Điều này dẫn đến cải thiện thủy động lực học và chuyển động của hỗn hợp lỏng? rắn. Xâm thực siêu âm làm giảm độ dày hiệu quả của lớp khuếch tán tại điện cực. Lớp khuếch tán giảm có nghĩa là siêu âm giảm thiểu sự khác biệt nồng độ, có nghĩa là sự hội tụ của nồng độ trong vùng lân cận của điện cực và giá trị nồng độ trong dung dịch khối được thúc đẩy bằng siêu âm. Ảnh hưởng của sự khuấy động siêu âm đối với gradient nồng độ trong quá trình phản ứng đảm bảo cung cấp vĩnh viễn dung dịch tươi cho điện cực và vận chuyển vật liệu phản ứng. Điều này có nghĩa là siêu âm đã cải thiện động học tổng thể, tăng tốc độ phản ứng và tăng năng suất phản ứng.
Bằng cách đưa năng lượng siêu âm vào hệ thống cũng như sự hình thành siêu âm của các gốc tự do, phản ứng điện hóa, nếu không sẽ không hoạt động điện, có thể được bắt đầu. 
Một tác động quan trọng khác của rung và truyền âm thanh là tác dụng làm sạch bề mặt điện cực. Các lớp thụ động và bám bẩn tại các điện cực hạn chế hiệu quả và tốc độ phản ứng của các phản ứng điện hóa. Siêu âm giữ cho các điện cực luôn sạch sẽ và hoạt động đầy đủ để phản ứng. Siêu âm nổi tiếng với tác dụng khử khí, cũng có lợi trong các phản ứng điện hóa. Loại bỏ các khí không mong muốn khỏi chất lỏng, phản ứng có thể hoạt động hiệu quả hơn.

Ứng dụng của Sonoelectrochemistry

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

• Tổng hợp hạt nano (điện tổng hợp)
• Tổng hợp hydro
• điện đông máu
• Xử lý nước thải
• Phá vỡ nhũ tương
• Mạ điện? Lắng đọng điện

Tổng hợp điện hóa sono của các hạt nano

Siêu âm đã được áp dụng thành công để tổng hợp các hạt nano khác nhau trong một hệ thống điện hóa. Magnetit, ống nano cadmium-selen (CdSe), hạt nano bạch kim (NP), NP vàng, magiê kim loại, bismuthene, nano-bạc, đồng siêu mịn, hạt nano hợp kim vonfram-coban (W-Co), nanocomposite nano oxit graphene saria? khử, các hạt nano đồng có nắp poly (axit acrylic) dưới 1nm và nhiều loại bột có kích thước nano khác đã được sản xuất thành công bằng cách sử dụng điện hóa son.
Ưu điểm của tổng hợp hạt nano điện hóa âm thanh bao gồm

• tránh các chất khử và chất hoạt động bề mặt
• Sử dụng nước làm dung môi
• Điều chỉnh kích thước hạt nano bằng các thông số khác nhau (công suất siêu âm, mật độ dòng điện, điện thế lắng đọng và thời gian xung siêu âm và điện hóa)

Ashasssi-Sorkhabi và Bagheri (2014) đã tổng hợp các màng polypyrrole bằng điện hóa và so sánh kết quả với các màng polypyrrole được tổng hợp bằng điện lý. Kết quả cho thấy sự lắng đọng điện cực tĩnh điện tạo ra một màng polypyrrole (PPy) bám dính mạnh và mịn trên thép, với mật độ dòng điện là 4 mA cm–2 trong dung dịch axit oxalic 0,1 M? pyrrole 0,1 M. Sử dụng quá trình trùng hợp điện hóa sonâm, họ thu được màng PPy có độ bền cao và cứng cáp với bề mặt nhẵn. Người ta đã chỉ ra rằng lớp phủ PPy được điều chế bằng sonoelectrochemistry cung cấp khả năng chống ăn mòn đáng kể cho thép St-12. Lớp phủ tổng hợp đồng nhất và thể hiện khả năng chống ăn mòn cao. Tất cả những kết quả này có thể là do siêu âm tăng cường sự truyền khối lượng của các chất phản ứng và gây ra tốc độ phản ứng hóa học cao thông qua xâm thực âm thanh và dẫn đến nhiệt độ và áp suất cao. Tính hợp lệ của dữ liệu trở kháng đối với thép St-12? hai lớp phủ PPy? giao diện môi trường ăn mòn đã được kiểm tra bằng cách sử dụng các biến đổi KK và các sai số trung bình thấp đã được quan sát thấy.

Hass và Gedanken (2008) đã báo cáo sự tổng hợp sono-điện hóa thành công của các hạt nano magiê kim loại. Hiệu quả trong quá trình điện hóa của thuốc thử Gringard trong tetrahydrofuran (THF) hoặc trong dung dịch dibutyldiglyme lần lượt là 41,35% và 33,08%. Thêm AlCl3 vào dung dịch Gringard làm tăng hiệu quả đáng kể, nâng nó lên lần lượt là 82,70% và 51,69% trong THF hoặc dibutyldiglyme.

Sản xuất hydro điện hóa Sono

Điện phân được thúc đẩy bằng sóng siêu âm làm tăng đáng kể sản lượng hydro từ nước hoặc dung dịch kiềm. Bấm vào đây để đọc thêm về tổng hợp hydro điện phân tăng tốc siêu âm!

Điện đông hỗ trợ siêu âm

Ứng dụng của siêu âm tần số thấp vào hệ thống đông máu điện được gọi là sono-electrocoagulation. Các nghiên cứu cho thấy rằng quá trình siêu âm ảnh hưởng đến quá trình đông máu điện dẫn đến hiệu quả loại bỏ hydroxit sắt cao hơn từ nước thải. Tác động tích cực của siêu âm đối với quá trình đông máu điện được giải thích là do giảm thụ động hóa điện cực. Siêu âm tần số thấp, cường độ cao phá hủy lớp rắn lắng đọng và loại bỏ chúng một cách hiệu quả, do đó giữ cho các điện cực liên tục hoạt động đầy đủ. Hơn nữa, siêu âm kích hoạt cả hai loại ion, tức là cation và anion, có trong vùng phản ứng điện cực. Khuấy siêu âm dẫn đến chuyển động vi mô cao của dung dịch nạp và mang nguyên liệu thô và sản phẩm đến và đi từ các điện cực.
Ví dụ cho các quá trình đông điện sono thành công là khử Cr (VI) thành Cr (III) trong nước thải dược phẩm, loại bỏ tổng phốt pho khỏi nước thải của ngành hóa chất tốt với hiệu suất loại bỏ phốt pho là 99,5% trong vòng 10 phút, loại bỏ màu và COD từ nước thải của ngành công nghiệp giấy và bột giấy, v.v. Báo cáo hiệu quả loại bỏ cho màu, COD, Cr (VI), Cu (II) và P lần lượt là 100%, 95%, 100%, 97,3% và 99,84%. (xem Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Sono-Electrochemical Degradation của các chất ô nhiễm

Các phản ứng oxy hóa và? hoặc khử điện hóa được thúc đẩy bằng siêu âm được áp dụng như một phương pháp mạnh mẽ để phân hủy chất ô nhiễm hóa học. Cơ chế siêu âm và siêu âm thúc đẩy sự phân hủy điện hóa của các chất ô nhiễm. Sự xâm thực được tạo ra bằng sóng siêu âm dẫn đến sự khuấy động dữ dội, trộn vi mô, truyền khối lượng và loại bỏ các lớp thụ động khỏi các điện cực. Những hiệu ứng xâm thực này chủ yếu dẫn đến việc tăng cường sự truyền khối lượng rắn-lỏng giữa các điện cực và dung dịch. Hiệu ứng sonochemical tác động trực tiếp đến các phân tử. Sự phân tách homolytic của các phân tử tạo ra các chất oxy hóa phản ứng cao. Trong môi trường nước và với sự hiện diện của oxy, các gốc như HO •, HO2 • và O • được tạo ra. • Các gốc OH được biết là quan trọng đối với sự phân hủy hiệu quả của các vật liệu hữu cơ. Nhìn chung, phân hủy điện hóa sono cho thấy hiệu quả cao và thích hợp để xử lý khối lượng lớn các dòng nước thải và các chất lỏng ô nhiễm khác.
Ví dụ, Lllanos et al. (2016) phát hiện ra rằng hiệu quả hiệp đồng đáng kể đã thu được để khử trùng nước khi hệ thống điện hóa được tăng cường bằng sonication (khử trùng sono-điện hóa). Sự gia tăng tỷ lệ khử trùng này được phát hiện có liên quan đến sự ức chế tế bào E. coli aggolomerates cũng như tăng cường sản xuất các loài chất khử trùng. 
Esclapez et al. (2010) cho thấy một lò phản ứng điện hóa được thiết kế đặc biệt (tuy nhiên không được tối ưu hóa) đã được sử dụng trong quá trình mở rộng quy mô suy thoái axit trichloroacetic (TCAA), sự hiện diện của trường siêu âm được tạo ra với UIP1000hd cung cấp kết quả tốt hơn (chuyển đổi phân đoạn 97%, hiệu suất suy thoái 26%, chọn lọc 0,92 và hiệu suất hiện tại 8%) ở cường độ siêu âm thấp hơn và lưu lượng thể tích. Xem xét thực tế, lò phản ứng siêu điện hóa tiền thí điểm vẫn chưa được tối ưu hóa, rất có khả năng những kết quả này có thể được cải thiện hơn nữa.

Đo điện áp siêu âm và lắng đọng điện

Lắng đọng điện được thực hiện bằng điện ở mật độ dòng điện 15 mA? cm2. Các dung dịch được siêu âm trước khi lắng đọng điện trong 5–60 phút. Một Hielscher Máy siêu âm loại đầu dò UP200S được sử dụng ở thời gian chu kỳ 0,5. Siêu âm đạt được 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, voltammetry tuần hoàn (CV) đã được sử dụng để tiết lộ hành vi của dung dịch và giúp dự đoán các điều kiện lý tưởng cho sự lắng đọng điện tử. Người ta quan sát thấy rằng khi dung dịch được siêu âm trước khi lắng đọng, sự lắng đọng bắt đầu ở các giá trị tiềm năng âm ít hơn. Điều này có nghĩa là ở cùng một dòng điện trong dung dịch, cần ít điện thế hơn, vì các loài trong dung dịch hoạt động tích cực hơn so với các loài không siêu âm. (xem Yurdal & Karahan 2017)

Đầu dò điện hóa hiệu suất cao và SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics là đối tác giàu kinh nghiệm lâu năm của bạn cho các hệ thống siêu âm hiệu suất cao. Chúng tôi sản xuất và phân phối đầu dò và lò phản ứng siêu âm hiện đại, được sử dụng trên toàn thế giới cho các ứng dụng hạng nặng trong môi trường khắt khe. Đối với điện hóa siêu âm, Hielscher đã phát triển các đầu dò siêu âm đặc biệt, có thể hoạt động như cực âm và? hoặc cực dương, cũng như các tế bào phản ứng siêu âm thích hợp cho các phản ứng điện hóa. Các điện cực và tế bào siêu âm có sẵn cho các hệ thống điện? voltaic cũng như điện phân.

Biên độ có thể kiểm soát chính xác cho kết quả tối ưu

Tất cả các bộ vi xử lý siêu âm Hielscher đều có thể kiểm soát chính xác và do đó ngựa làm việc đáng tin cậy trong R&D và sản xuất. Biên độ là một trong những thông số quá trình quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả và hiệu quả của các phản ứng cảm ứng sonochemical và sonomechanically. Tất cả Hielscher Ultrasonics’ processors allow for the precise setting of the amplitude. Hielscher’s industrial ultrasonic processors can deliver very high amplitudes and deliver the required ultrasonic intensity for demanding sono-electrochamical applications. Amplitudes of up to 200µm can be easily continuously run in 24/7 operation.
Cài đặt biên độ chính xác và giám sát vĩnh viễn các thông số quy trình siêu âm thông qua phần mềm thông minh cho phép bạn có khả năng ảnh hưởng chính xác đến phản ứng điện hóa siêu âm. Trong mỗi lần chạy siêu âm, tất cả các thông số siêu âm được tự động ghi lại trên thẻ SD tích hợp, để mỗi lần chạy có thể được đánh giá và kiểm soát. Siêu âm tối ưu cho các phản ứng điện hóa siêu âm hiệu quả nhất!
All equipment is built for the 24/7/365 use under full load and its robustness and reliability make it the work horse in your electrochemical process. This makes Hielscher’s ultrasonic equipment a reliable work tool that fulfils your sonoelectrochemical process requirements.

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

As a family-owned and family-run business, Hielscher prioritizes highest quality standards for its ultrasonic processors. All ultrasonicators are designed, manufactured and thoroughly tested in our headquarter in Teltow near Berlin, Germany. Robustness and reliability of Hielscher’s ultrasonic equipment make it a work horse in your production. 24/7 operation under full load and in demanding environments is a natural characteristic of Hielscher’s high-performance ultrasonic probes and reactors.

Liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ và cho chúng tôi biết về các yêu cầu quy trình điện hóa của bạn! Chúng tôi sẽ giới thiệu cho bạn thiết lập điện cực siêu âm và lò phản ứng phù hợp nhất!