Effects of Ultrasonic Frequency, Acoustic Power, and Liquid Height on Radical Production in a Sonochemical Reactor

Abstract

Vannelektrolyse, kombinert med høyintensitets ultralyd, har vist potensial til å forbedre hydrogenproduksjon. Imidlertid er det nødvendig med videre forskning innen sonokjemi for å bestemme hvordan forskjellige parametere påvirker sonokjemisk aktivitet. I denne masteroppgaven er eksperimenter blitt gjort for å avdekke hvordan ultralydfrekvens, akustisk effekt og væskehøyde påvirker produksjonen av radikaler. Relevant teori og litteratur er også presentert. Akustisk effekt ble bestemt av kalorimetri for hvert eksperimentelt oppsett. Frekvenser på 24, 580, 860 og 1140 kHz ble studert ved fem forskjellige amplituder (20, 40, 60, 80, 100 %) og væskehøyder (85,7, 121,5, 148,6, 185,1, 222,0 mm) ved bruk av en sonokjemisk reaktor med avkjøling. Både en horntransduser (24 kHz) og en platetransduser (580, 860, 1140 kHz) ble brukt. For å bestemme effekten av frekvens og akustisk effekt ble væsken mettet med argon. Produksjon av radikaler ble bestemt ved både Weissler og Fricke dosimetri, med maksimale absorpsjonsbølgelengder på henholdsvis 350 og 304 nm. Optimale væskehøyder ble sett hovedsakelig ved 85,7 mm, men også ved 185,1 mm. Videre hadde 580 og 860 kHz tilsvarende sonokjemiske effektiviteter, som var høyere enn de observert ved 24 og 1140 kHz. I tillegg ble det observert økt kjemisk aktivitet ved en økning i akustisk effekt.

Water electrolysis, coupled with power ultrasound, has shown the potential to enhance renewable hydrogen production. However, further research in sonochemistry is needed to determine the effects of different parameters on sonochemical activity. In this thesis, the effects of ultrasonic frequency, acoustic power, and liquid height on radical production have been investigated. Relevant theory and literature are also presented. The acoustic power was determined by calorimetry for each experimental setup. Frequencies of 24, 580, 860, and 1140 kHz where studied at five different amplitudes (20, 40, 60, 80, 100 %) and liquid heights (85.7, 121.5, 148.6, 185.1, 222.0 mm) using a sonochemical reactor with cooling. Both a horn-type transducer (24 kHz) and plate transducer (580, 860, 1140 kHz) were used. For determining the effect of frequency and acoustic power, the liquid was saturated with argon gas. Radical production was determined by both Weissler and Fricke dosimetry, at maximum absorption wavelengths of 350 and 304 nm, respectively. The optimal liquid heights were seen mostly at 85.7 mm but also at 185.1 mm. Moreover, 580 and 860 kHz had similar sonochemical efficiencies, which were higher than those at 24 and 1140 kHz. Additionally, the sonochemical activity increased as acoustic power was increased.