كفاءة إنتاج الهيدروجين مع الموجات فوق الصوتية
الهيدروجين هو وقود بديل مفضل بسبب ملاءمته للبيئة وعدم انبعاث ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك ، فإن توليد الهيدروجين التقليدي ليس فعالا للإنتاج الضخم الاقتصادي. يؤدي التحليل الكهربائي المعزز بالموجات فوق الصوتية لمحاليل المياه والمياه القلوية إلى زيادة إنتاجية الهيدروجين ومعدل التفاعل وسرعة التحويل. التحليل الكهربائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية يجعل إنتاج الهيدروجين اقتصاديا وفعالا في استخدام الطاقة.
تظهر التفاعلات الكهروكيميائية التي يتم الترويج لها بالموجات فوق الصوتية مثل التحليل الكهربائي والتخثير الكهربائي سرعة تفاعل محسنة ومعدل وعائدات.
توليد الهيدروجين بكفاءة مع Sonication
يعد التحليل الكهربائي للمياه والمحاليل المائية لغرض توليد الهيدروجين عملية واعدة لإنتاج الطاقة النظيفة. التحليل الكهربائي للماء هو عملية كهروكيميائية حيث يتم تطبيق الكهرباء لتقسيم الماء إلى غازين ، وهما الهيدروجين (H2) والأكسجين (O2). من أجل شق H – O – روابط H عن طريق التحليل الكهربائي ، يتم تشغيل تيار كهربائي عبر الماء.
بالنسبة للتفاعل الإلكتروليتي ، يتم تطبيق عملة كهربائية مباشرة لبدء تفاعل غير تلقائي من ناحية أخرى. يمكن أن يولد التحليل الكهربائي هيدروجين عالي النقاء في عملية بسيطة وصديقة للبيئة وخضراء مع انبعاث CO2 صفر لأن O2 هو المنتج الثانوي الوحيد.
2x معالجات بالموجات فوق الصوتية من نموذج UIP2000hdT مع مجسات ، التي تعمل كأقطاب كهربائية ، أي الكاثود والأنود. يعزز اهتزاز الموجات فوق الصوتية والتجويف إنتاج الهيدروجين الكهروكيميائي.
فيما يتعلق بالتحليل الكهربائي للماء ، يتم تقسيم الماء إلى أكسجين وهيدروجين عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر الماء.
في الماء النقي عند المهبط سالب الشحنة، يحدث تفاعل اختزال حيث تمنح الإلكترونات (e−) من المهبط إلى كاتيونات الهيدروجين بحيث يتشكل غاز الهيدروجين. عند المصعد الموجب الشحنة، يحدث تفاعل أكسدة، يولد غاز الأكسجين مع إعطاء إلكترونات إلى المصعد. هذا يعني أن الماء يتفاعل عند المصعد لتكوين الأكسجين وأيونات الهيدروجين الموجبة الشحنة (البروتونات). وبذلك تكتمل معادلة توازن الطاقة التالية:
2 ساعة+ (aq) + 2e– → H2 (ز) (التخفيض عند الكاثود)
2 ساعة2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (الأكسدة عند الأنود)
رد الفعل العام: 2H2س (ل) → 2H2 (ز) + O2 (ز)
في كثير من الأحيان ، يتم استخدام المياه القلوية للتحليل الكهربائي من أجل إنتاج الهيدروجين. الأملاح القلوية هي هيدروكسيدات قابلة للذوبان من المعادن القلوية والمعادن الأرضية القلوية ، ومن الأمثلة الشائعة عليها: هيدروكسيد الصوديوم (هيدروكسيد الصوديوم ، المعروف أيضا باسم الصودا الكاوية) وهيدروكسيد البوتاسيوم (KOH ، المعروف أيضا باسم البوتاس الكاوية). بالنسبة إلى الانحلال ، يتم استخدام تركيزات 20٪ إلى 40٪ من المحلول الكاوي.
إنتاج سونو الكهروكيميائية للهيدروجين في كاثود بالموجات فوق الصوتية.
التوليف بالموجات فوق الصوتية للهيدروجين
عندما ينتج غاز الهيدروجين في تفاعل إلكتروليتي ، يتم تصنيع الهيدروجين مباشرة عند جهد التحلل. سطح الأقطاب الكهربائية هو المنطقة التي يحدث فيها تكوين الهيدروجين على المرحلة الجزيئية أثناء التفاعل الكهروكيميائي. تنوي جزيئات الهيدروجين على سطح القطب ، بحيث توجد فقاعات غاز الهيدروجين لاحقا حول الكاثود. يؤدي استخدام الأقطاب الكهربائية بالموجات فوق الصوتية إلى تحسين معاوقة النشاط ومقاومة التركيز وتسريع ارتفاع فقاعات الهيدروجين أثناء التحليل الكهربائي للماء. أظهرت العديد من الدراسات أن إنتاج الهيدروجين بالموجات فوق الصوتية يزيد من غلة الهيدروجين بكفاءة.
فوائد الموجات فوق الصوتية على التحليل الكهربائي للهيدروجين
- إنتاجية أعلى من الهيدروجين
- تحسين كفاءة الطاقة
كما ينتج عن الموجات فوق الصوتية ما يلي:
- زيادة النقل الجماعي
- التخفيض المعجل للمقاومة المتراكمة
- انخفاض الجهد الأومي
- انخفاض الجهد الزائد للتفاعل
- انخفاض إمكانية التحلل
- تفريغ الماء / محلول مائي
- تنظيف المحفزات الكهربائية
تأثيرات الموجات فوق الصوتية على التحليل الكهربائي
يُعرف التحليل الكهربائي المثار بالموجات فوق الصوتية أيضاً باسم التحليل الكهربائي الصوتي. تؤثر عوامل مختلفة بالموجات فوق الصوتية ذات الطبيعة الميكانيكية الصوتية والكيميائية الصوتية على التفاعلات الكهروكيميائية وتعززها. هذه العوامل المؤثرة في التحليل الكهربائي هي نتائج التجويف والاهتزاز الناجم عن الموجات فوق الصوتية وتشمل التدفق الصوتي، والاضطرابات الدقيقة، والنفاثات الدقيقة، وموجات الصدمة، وكذلك التأثيرات الكيميائية الصوتية. يحدث التجويف بالموجات فوق الصوتية/التجويف الصوتي، عندما تقترن الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة بالسائل. وتتميز ظاهرة التجويف بنمو وانهيار ما يسمى بفقاعات التجويف. ويتميز انفجار الفقاعة بقوى فائقة الكثافة تحدث محليًا. وتشمل هذه القوى تسخينًا موضعيًا شديدًا يصل إلى 5000 كلفن وضغطًا عاليًا يصل إلى 1000 ضغط جوي ومعدلات تسخين وتبريد هائلة (> 100 ألف/ثانية) وتثير تفاعلًا فريدًا بين المادة والطاقة. على سبيل المثال، تؤثر هذه القوى التجويفية على الروابط الهيدروجينية في الماء وتسهل انقسام كتل الماء مما يؤدي بالتالي إلى انخفاض استهلاك الطاقة للتحليل الكهربائي.
تأثير الموجات فوق الصوتية على الأقطاب الكهربائية
- إزالة الرواسب من سطح القطب
- تفعيل سطح القطب
- نقل الشوارد باتجاه وبعيدا عن الأقطاب الكهربائية
التنظيف بالموجات فوق الصوتية وتفعيل أسطح الأقطاب الكهربائية
يعد انتقال الكتلة أحد العوامل الحاسمة التي تؤثر على معدل التفاعل والسرعة والعائد. أثناء التفاعلات الإلكتروليتية ، يتراكم ناتج التفاعل ، على سبيل المثال الرواسب ، حول أسطح القطب وكذلك مباشرة على أسطح القطب ويبطئ التحويل الإلكتروليتي للمحلول الطازج إلى القطب. تظهر العمليات الإلكتروليتية التي يتم الترويج لها بالموجات فوق الصوتية زيادة في نقل الكتلة في المحلول السائب وبالقرب من الأسطح. يزيل الاهتزاز والتجويف بالموجات فوق الصوتية طبقات التخميل من أسطح القطب ويبقيها فعالة بشكل دائم. علاوة على ذلك ، من المعروف أن الصوتنة تعزز مسارات التفاعل عن طريق التأثيرات الكيميائية الصوتية.
انخفاض الجهد الأومي المنخفض ، والجهد الزائد للتفاعل ، وإمكانية التحلل
يعرف الجهد المطلوب لحدوث التحليل الكهربائي بجهد التحلل. الموجات فوق الصوتية يمكن أن تقلل من إمكانات التحلل اللازمة في عمليات التحليل الكهربائي.
خلية التحليل الكهربائي بالموجات فوق الصوتية
بالنسبة للتحليل الكهربائي للماء ، تعد مدخلات الطاقة بالموجات فوق الصوتية وفجوة القطب وتركيز المنحل بالكهرباء من العوامل الرئيسية التي تؤثر على التحليل الكهربائي للماء وكفاءته.
بالنسبة للتحليل الكهربائي القلوي ، يتم استخدام خلية التحليل الكهربائي بمحلول كاوي مائي عادة ما يكون 20٪ -40٪ KOH أو NaOH. يتم تطبيق الطاقة الكهربائية على قطبين.
يمكن استخدام العوامل الحفازة للأقطاب الكهربائية لتسريع سرعة التفاعل. على سبيل المثال ، تعتبر أقطاب Pt مواتية لأن التفاعل يحدث بسهولة أكبر.
تشير مقالات البحث العلمي إلى توفير الطاقة بنسبة 10٪ -25٪ باستخدام التحليل الكهربائي للمياه الذي يتم الترويج له بالموجات فوق الصوتية.
المحلل الكهربائي بالموجات فوق الصوتية لإنتاج الهيدروجين على نطاق تجريبي وصناعي
Hielscher Ultrasonics’ تم تصميم المعالجات بالموجات فوق الصوتية الصناعية لعملية 24/7/365 تحت الحمل الكامل وفي العمليات الثقيلة.
من خلال توفير أنظمة الموجات فوق الصوتية القوية, sonotrodes مصممة خاصة (مجسات), التي تعمل بمثابة قطب كهربائي والموجات فوق الصوتية الارسال في نفس الوقت, ومفاعلات التحليل الكهربائي, Hielscher الموجات فوق الصوتية يلبي المتطلبات المحددة لإنتاج الهيدروجين كهربائيا. جميع الموجات فوق الصوتية الصناعية الرقمية من سلسلة UIP (UIP500hdT (500 واط) ، UIP1000hdT (1 كيلو واط) ، UIP1500hdT (1.5 كيلو واط) ، UIP2000hdT (2 كيلو واط) ، و UIP4000hdT (4kW)) هي وحدات الموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات التحليل الكهربائي.
مسبار بالموجات فوق الصوتية من UIP2000hdT وظائف الأنود. تعمل الموجات فوق الصوتية المطبقة على تكثيف التوليف الكهربائي للهيدروجين.
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 0.02 إلى 5 لتر | 0.05 إلى 1 لتر / دقيقة | UIP500hdT |
| 0.05 إلى 10 لتر | 0.1 إلى 2 لتر / دقيقة | UIP1000hdT |
| 0.07 إلى 15 لتر | 0.15 إلى 3 لتر / دقيقة | UIP1500hdT |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
اتصل بنا! / اسألنا!
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
حقائق تستحق المعرفة
ما هو الهيدروجين؟
الهيدروجين هو العنصر الكيميائي بالرمز H والرقم الذري 1. بوزن ذري قياسي يبلغ 1.008 ، الهيدروجين هو أخف عنصر في الجدول الدوري. الهيدروجين هو المادة الكيميائية الأكثر وفرة في الكون ، ويشكل ما يقرب من 75 ٪ من جميع الكتلة الباريونية. H2 هو غاز يتكون عندما ترتبط ذرتا هيدروجين معا وتصبحان جزيء هيدروجين. يسمى H2 أيضا الهيدروجين الجزيئي وهو جزيء ثنائي الذرة متجانس النواة. يتكون من بروتونين وإلكترونين. بوجود شحنة متعادلة ، يكون الهيدروجين الجزيئي مستقرا وبالتالي فهو الشكل الأكثر شيوعا للهيدروجين.
عندما يتم إنتاج الهيدروجين على نطاق صناعي ، فإن الغاز الطبيعي لإصلاح البخار هو أكثر أشكال الإنتاج استخداما. طريقة بديلة هي التحليل الكهربائي للماء. يتم إنتاج معظم الهيدروجين بالقرب من موقع استخدامه الأخير ، على سبيل المثال ، بالقرب من مرافق معالجة الوقود الأحفوري (مثل التكسير الهيدروجيني) ومنتجي الأسمدة القائمة على الأمونيا.
الأدب / المراجع
- 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.
- Islam Md H., Burheim Odne S., Pollet Bruno G. (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry 51, 2019. 533–555.
- 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.
- Cherepanov, Pavel; Melnyk, Inga; Skorb, Ekaterina V.; Fratzl, P.; Zolotoyabko, E.; Dubrovinskaia, Natalia; Dubrovinsky, Leonid Avadhut, Yamini S.; Senker, Jürgen; Leppert, Linn; Kümmel, Stephan; Andreeva, Daria V. (2015): The use of ultrasonic cavitation for near-surface structuring of robust and low-cost AlNi catalysts for hydrogen production. Green Chemistry Issue 5, 2015. 745-2749.