إنتاج الهيدروجين بكفاءة باستخدام الموجات فوق الصوتية
الهيدروجين وقود بديل مفضّل لكونه صديقًا للبيئة ولانعدام انبعاثات ثاني أكسيد الكربون منه. غير أن توليد الهيدروجين بالطرق التقليدية لا يتمتع بالكفاءة اللازمة للإنتاج الكبير اقتصاديًا. يؤدي التحليل الكهربائي للماء والمحاليل المائية القلوية المعزّز بالموجات فوق الصوتية إلى زيادة مردود الهيدروجين ومعدل التفاعل وسرعة التحويل. ويجعل التحليل الكهربائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية إنتاج الهيدروجين اقتصاديًا وكفؤًا في استهلاك الطاقة.
تُظهر التفاعلات الكهروكيميائية المعزّزة بالموجات فوق الصوتية، مثل التحليل الكهربائي والتخثير الكهربائي، تحسّنًا في سرعة التفاعل ومعدله ومردوده.
سرّع إنتاج الهيدروجين بقوة الموجات فوق الصوتية والكيمياء الكهربائية
اجمع بين كفاءة التجويف بالموجات فوق الصوتية ودقة التفاعلات الكهروكيميائية لتحقيق مردود أعلى من الهيدروجين واستهلاك أقل للطاقة. تعزّز أنظمة Hielscher الكهروكيميائية المتقدمة بمساعدة الموجات فوق الصوتية انتقال الكتلة، وتحسّن نشاط المحفّز، وتُحسّن أسطح الأقطاب لتوليد H₂ بثبات وبأداء عالٍ.
الفوائد الرئيسية:
- تعزيز انتقال الكتلة: تقلّل الموجات فوق الصوتية سماكة طبقة الانتشار، مما يضمن إيصال المتفاعلات بكفاءة إلى الأقطاب.
- تحسين استقرار المحفّز: تمنع المعالجة بالموجات فوق الصوتية تكتّل الجسيمات النانوية، وتحافظ على نشاط تحفيزي مرتفع بمرور الوقت.
- كفاءة الطاقة: حسّن مدخلات الطاقة بالاستفادة من المزج الدقيق وتنظيف الأسطح الناتجين عن التجويف.
اضمن تجويفًا ثابتًا وعالي الشدة باستخدام معالجات موثوقة بالموجات فوق الصوتية مصمّمة لإنتاج H₂ باستمرار على مدار 24/7. احصل على معلومات تفصيلية عن حلولنا عالية القدرة بالموجات فوق الصوتية وتحدّث إلى خبرائنا في المعالجة بالموجات فوق الصوتية!
2x من معالجات الموجات فوق الصوتية من طراز UIP2000hdT مزوّدة بمسابير، تعمل بوصفها أقطابًا، أي كاثودًا وأنودًا. تعزّز اهتزازات الموجات فوق الصوتية والتجويف إنتاج الهيدروجين كهروكيميائيًا.
توليد الهيدروجين بكفاءة باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية
يُعدّ التحليل الكهربائي للماء والمحاليل المائية بهدف توليد الهيدروجين عملية واعدة لإنتاج الطاقة النظيفة. والتحليل الكهربائي للماء عملية كهروكيميائية تُستخدم فيها الكهرباء لتفكيك الماء إلى غازين، هما الهيدروجين (H₂) والأكسجين (O₂). ولشطر روابط H – O – H بالتحليل الكهربائي، يُمرَّر تيار كهربائي عبر الماء.
يُطبَّق تيار كهربائي مستمر لإحداث تفاعل التحليل الكهربائي الذي لا يحدث تلقائيًا بخلاف ذلك. ويمكن للتحليل الكهربائي توليد هيدروجين عالي النقاوة بعملية بسيطة وصديقة للبيئة وخضراء، مع انعدام انبعاثات CO₂، إذ إن O₂ هو الناتج الثانوي الوحيد.
في التحليل الكهربائي للماء، يتحقق تفكيك الماء إلى أكسجين وهيدروجين بتمرير تيار كهربائي عبر الماء.
في الماء النقي، يحدث عند الكاثود ذي الشحنة السالبة تفاعل اختزال تُنقل فيه الإلكترونات (e−) من الكاثود إلى كاتيونات الهيدروجين، فيتكوّن غاز الهيدروجين. وعند الأنود ذي الشحنة الموجبة، يحدث تفاعل أكسدة يُولّد غاز الأكسجين مع نقل الإلكترونات إلى الأنود. وهذا يعني أن الماء يتفاعل عند الأنود لتكوين الأكسجين وأيونات الهيدروجين موجبة الشحنة (البروتونات). وبذلك تكتمل معادلة توازن الطاقة التالية:
2H+ (aq) + 2e– → H₂ (g) (الاختزال عند الكاثود)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (الأكسدة عند الأنود)
التفاعل الكلي: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
غالبًا ما يُستخدم الماء القلوي في التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين. أملاح القلويات هي هيدروكسيدات قابلة للذوبان للفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية، ومن أمثلتها الشائعة: هيدروكسيد الصوديوم (NaOH، المعروف أيضًا بالصودا الكاوية) وهيدروكسيد البوتاسيوم (KOH، المعروف أيضًا بالبوتاس الكاوي). ويُستخدم في التحليل الكهربائي بصورة رئيسية محلول كاوٍ بتركيزات من 20% إلى 40%.
إنتاج الهيدروجين كهروكيميائيًا بمساعدة الموجات فوق الصوتية عند كاثود يعمل بالموجات فوق الصوتية.
تخليق الهيدروجين بالموجات فوق الصوتية
عند إنتاج غاز الهيدروجين في تفاعل تحليل كهربائي، يُخلَّق الهيدروجين عند جهد التفكك مباشرةً. وسطح الأقطاب هو المنطقة التي يحدث فيها تكوّن الهيدروجين على المستوى الجزيئي أثناء التفاعل الكهروكيميائي. تتكوّن نوى جزيئات الهيدروجين عند سطح القطب، فتظهر بعد ذلك فقاعات غاز الهيدروجين حول الكاثود. يحسّن استخدام الأقطاب العاملة بالموجات فوق الصوتية ممانعات النشاط وممانعة التركيز، ويسرّع صعود فقاعات الهيدروجين أثناء التحليل الكهربائي للماء. وقد أظهرت عدة دراسات أن إنتاج الهيدروجين بالموجات فوق الصوتية يزيد مردود الهيدروجين بكفاءة.
- مردود أعلى من الهيدروجين
- تحسين كفاءة الطاقة
➡️ استخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية من أجل:
- زيادة انتقال الكتلة
- تسريع خفض الممانعة المتراكمة
- تقليل هبوط الجهد الأومي
- تقليل الجهد الزائد للتفاعل
- تقليل جهد التفكك
- إزالة الغازات من الماء / المحلول المائي
- تنظيف محفّزات الأقطاب
تأثيرات الموجات فوق الصوتية في التحليل الكهربائي
يُعرف التحليل الكهربائي المُثار بالموجات فوق الصوتية أيضًا بالتحليل الكهربائي الصوتي. تؤثر عوامل مختلفة للموجات فوق الصوتية ذات طبيعة ميكانيكية صوتية وكيميائية صوتية في التفاعلات الكهروكيميائية وتعزّزها.
- تُنشئ الموجات فوق الصوتية فقاعات
- تنهار الفقاعات
- تُفكّك الحرارة الشديدة جزيئات الماء
تنشأ العوامل المؤثرة في التحليل الكهربائي عن التجويف والاهتزاز الناجمين عن الموجات فوق الصوتية، وتشمل الجريان الصوتي والاضطرابات الدقيقة والنفاثات الدقيقة والموجات الصدمية، وكذلك التأثيرات الكيميائية الصوتية. يحدث التجويف فوق الصوتي / الصوتي عند اقتران موجات فوق صوتية عالية الشدة بسائل. وتتميّز ظاهرة التجويف بنمو ما يُسمّى فقاعات التجويف وانهيارها. ويتّسم انهيار الفقاعات إلى الداخل بقوى فائقة الشدة تحدث موضعيًا. وتشمل هذه القوى تسخينًا موضعيًا شديدًا يصل إلى 5000K، وضغوطًا عالية تصل إلى 1000 atm، ومعدلات هائلة للتسخين والتبريد (>100k/sec)، وتُحدث تفاعلًا فريدًا بين المادة والطاقة. فعلى سبيل المثال، تؤثر قوى التجويف هذه في الروابط الهيدروجينية في الماء وتسهّل تفكيك تجمعات جزيئات الماء، مما يؤدي لاحقًا إلى تقليل استهلاك الطاقة في التحليل الكهربائي.
تأثير الموجات فوق الصوتية في الأقطاب
- إزالة الترسبات من سطح القطب
- تنشيط سطح القطب
- نقل الإلكتروليتات نحو الأقطاب وبعيدًا عنها
تنظيف أسطح الأقطاب وتنشيطها بالموجات فوق الصوتية
يُعدّ انتقال الكتلة أحد العوامل الحاسمة التي تؤثر في معدل التفاعل وسرعته ومردوده. أثناء تفاعلات التحليل الكهربائي، تتراكم نواتج التفاعل، مثل الرواسب، حول أسطح الأقطاب وعليها مباشرةً، وتبطئ التحويل بالتحليل الكهربائي للمحلول الجديد عند القطب. تُظهر عمليات التحليل الكهربائي المعزّزة بالموجات فوق الصوتية زيادة في انتقال الكتلة في كتلة المحلول وبالقرب من الأسطح. وتزيل اهتزازات الموجات فوق الصوتية والتجويف طبقات التخميل من أسطح الأقطاب، فتحافظ بذلك على كفاءتها الكاملة باستمرار. علاوةً على ذلك، من المعروف أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تعزّز مسارات التفاعل من خلال التأثيرات الكيميائية الصوتية.
خفض هبوط الجهد الأومي والجهد الزائد للتفاعل وجهد التفكك
يُعرف الجهد المطلوب لحدوث التحليل الكهربائي بجهد التفكك. ويمكن للموجات فوق الصوتية خفض جهد التفكك اللازم في عمليات التحليل الكهربائي.
خلية التحليل الكهربائي بالموجات فوق الصوتية
في التحليل الكهربائي للماء، تُعدّ مدخلات الطاقة فوق الصوتية والمسافة بين الأقطاب وتركيز الإلكتروليت عوامل رئيسية تؤثر في التحليل الكهربائي للماء وكفاءته.
في التحليل الكهربائي القلوي، تُستخدم خلية تحليل كهربائي تحتوي على محلول مائي كاوٍ بتركيز يبلغ عادةً 20%–40% من KOH أو NaOH. وتُطبَّق الطاقة الكهربائية على قطبين.
يمكن استخدام محفّزات الأقطاب لتسريع التفاعل. فعلى سبيل المثال، تُفضَّل أقطاب Pt لأن التفاعل يحدث عليها بسهولة أكبر.
تشير مقالات بحثية علمية إلى توفير في الطاقة بنسبة 10%–25% عند استخدام التحليل الكهربائي للماء المعزّز بالموجات فوق الصوتية.
أجهزة التحليل الكهربائي بالموجات فوق الصوتية لإنتاج الهيدروجين على النطاق التجريبي والصناعي
صُمّمت معالجات الموجات فوق الصوتية الصناعية من Hielscher Ultrasonics للعمل على مدار 24/7/365 تحت الحمل الكامل وفي العمليات الشاقة.
من خلال توفير أنظمة متينة للموجات فوق الصوتية، وسونوترودات (مسابير) مصمّمة خصيصًا لتعمل بوصفها أقطابًا ومرسلات للموجات فوق الصوتية في الوقت نفسه، ومفاعلات للتحليل الكهربائي، تلبّي Hielscher Ultrasonics المتطلبات الخاصة لإنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي. جميع أجهزة المعالجة الصناعية الرقمية بالموجات فوق الصوتية من سلسلة UIP (UIP500hdT (500 وات)، UIP1000hdT (1kW)، UIP1500hdT (1.5kW)، UIP2000hdT (2kW)، و UIP4000hdT (4kW)) هي وحدات عالية الأداء للموجات فوق الصوتية لتطبيقات التحليل الكهربائي.
مسبار الموجات فوق الصوتية لجهاز UIP2000hdT يعمل بوصفه أنودًا. وتكثّف الموجات فوق الصوتية المطبَّقة تخليق الهيدروجين بالتحليل الكهربائي.
يقدّم الجدول أدناه نظرة عامة على أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية والأقطاب العاملة بالموجات فوق الصوتية التي نوفرها لتوليد H₂ كهروكيميائيًا – من مختبر الأبحاث إلى الإنتاج:
| جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية | قدرة الموجات فوق الصوتية | الحجم |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | أنبوب Falcon |
| UP100H | 100W | 10 إلى 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 إلى 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0.2 إلى 4L/min |
حسّن مردود الهيدروجين باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية!
خلية كهروكيميائية بمساعدة الموجات فوق الصوتية لتحسين تخليق H2
الأسئلة الشائعة – إنتاج الهيدروجين كهروكيميائيًا بمساعدة الموجات فوق الصوتية
ما الهيدروجين؟
الهيدروجين هو العنصر الكيميائي الذي رمزه H وعدده الذري 1. وبوزن ذري قياسي يبلغ 1.008، يُعدّ الهيدروجين أخفّ عنصر في الجدول الدوري. والهيدروجين أكثر المواد الكيميائية وفرةً في الكون، إذ يشكّل نحو 75% من مجموع الكتلة الباريونية. وH₂ غاز يتكوّن عندما ترتبط ذرتا هيدروجين معًا لتشكّلا جزيء هيدروجين. ويُسمّى H₂ أيضًا الهيدروجين الجزيئي، وهو جزيء ثنائي الذرة ومتجانس النوى. ويتكوّن من بروتونين وإلكترونين. وبفضل شحنته المتعادلة، يكون الهيدروجين الجزيئي مستقرًا، ولذلك فهو الشكل الأكثر شيوعًا للهيدروجين.
عند إنتاج الهيدروجين على النطاق الصناعي، تكون إعادة تشكيل الغاز الطبيعي بالبخار أكثر طرق الإنتاج استخدامًا. ومن الطرق البديلة التحليل الكهربائي للماء. ويُنتَج معظم الهيدروجين بالقرب من موقع استخدامه اللاحق، مثل المواقع القريبة من منشآت معالجة الوقود الأحفوري (مثل التكسير الهيدروجيني) ومنتجي الأسمدة القائمة على الأمونيا.
ما تخليق الهيدروجين الكهروكيميائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية؟
التخليق الكهروكيميائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية تقنية هجينة تجمع بين التجويف بالموجات فوق الصوتية والتفكيك الكهروكيميائي للماء. ومن خلال تطبيق موجات صوتية عالية التردد – أي موجات فوق صوتية – على مفاعل كهروكيميائي، تعزّز العملية انتقال الكتلة، وتنظّف أسطح الأقطاب، وتحسّن الكفاءة الإجمالية لتوليد الهيدروجين مقارنةً بالتحليل الكهربائي التقليدي.
كيف تحسّن الموجات فوق الصوتية مردود الهيدروجين في التحليل الكهربائي؟
تحسّن الموجات فوق الصوتية توليد الهيدروجين أساسًا من خلال التجويف الصوتي. ويؤدي تكوّن الفقاعات المجهرية وانهيارها إلى إحداث اضطرابات دقيقة شديدة تقلّل سماكة طبقة الانتشار عند سطح القطب. ويضمن ذلك إمداد المحفّز بالمتفاعلات بسرعة أكبر، ويساعد على إزالة فقاعات غاز الهيدروجين بكفاءة أعلى، مما يمنع “الحجب الغازي” ويتيح كثافات تيار أعلى.
ما مزايا استخدام جهاز معالجة صناعي بالموجات فوق الصوتية لتخليق الهيدروجين؟
يوفّر استخدام معالجات عالية الشدة بالموجات فوق الصوتية، مثل UIP2000hdT من سلسلة UIP الصناعية من Hielscher، عدة مزايا:
- تعزيز نشاط المحفّز: تمنع المعالجة بالموجات فوق الصوتية تكتّل الجسيمات النانوية، وتحافظ على نشاط مرتفع للمحفّزات (مثل Pt أو TiO₂ أو Ni).
- تنظيف الأقطاب: تنظّف الموجات فوق الصوتية أسطح الأقطاب باستمرار، مما يقلّل الاستقطاب ويطيل العمر التشغيلي لمكوّنات المفاعل.
- قابلية توسيع النطاق: صُمّمت هذه الأنظمة للعمل المستمر على مدار 24/7، مما يجعلها مناسبة للأبحاث المختبرية ولإنتاج الهيدروجين على النطاق الصناعي على حدّ سواء.
ما دور التجويف في التفاعلات الكهروكيميائية بمساعدة الموجات فوق الصوتية؟
التجويف الصوتي هو الآلية الأساسية في الكيمياء الكهربائية بمساعدة الموجات فوق الصوتية. فعندما تمر الموجات فوق الصوتية عبر سائل، تُنشئ دورات متناوبة من الضغط المرتفع والضغط المنخفض. وخلال دورة الضغط المنخفض، تتكوّن فقاعات فراغية صغيرة وتنمو؛ وخلال دورة الضغط المرتفع، تنهار إلى الداخل بعنف. ويولّد هذا الانهيار درجات حرارة وضغوطًا موضعية شديدة الارتفاع، يمكن أن تسهّل التفاعلات الكيميائية وتحسّن بصورة كبيرة التلامس بين الأقطاب والإلكتروليت.
هل يمكن استخدام الكيمياء الكهربائية بمساعدة الموجات فوق الصوتية مع مصادر الطاقة المتجددة؟
نعم. يمكن دمج الأنظمة الكهروكيميائية بمساعدة الموجات فوق الصوتية مع مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. وتجعل قدرة معالجات الموجات فوق الصوتية على العمل بكفاءة عند مستويات قدرة متفاوتة منها خيارًا ملائمًا للغاية لإمدادات الطاقة المتقطعة، مما قد يقلّل البصمة الكربونية لإنتاج الهيدروجين الأخضر.
كيف يُقارَن إنتاج الهيدروجين كهروكيميائيًا بمساعدة الموجات فوق الصوتية بإعادة تشكيل الميثان بالبخار بالطريقة التقليدية؟
بخلاف إعادة تشكيل الميثان بالبخار (SMR)، التي تعتمد على الوقود الأحفوري وتُطلق كميات كبيرة من CO₂، يستخدم التخليق الكهروكيميائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية الماء عادةً بوصفه المادة الأولية. وعلى الرغم من أن SMR أكثر رسوخًا حاليًا، فإن الكيمياء الكهربائية بمساعدة الموجات فوق الصوتية توفّر بديلًا أنظف و”أخضر” يمكن تشغيله بالكهرباء المتجددة، مما يجعلها تقنية رئيسية لاقتصاد هيدروجين مستدام.
المراجع العلمية / المصادر
- 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.
- José González-García, Ludovic Drouin, Craig E. Banks, Biljana Šljukić, Richard G. Compton (2007): At point of use sono-electrochemical generation of hydrogen peroxide for chemical synthesis: The green oxidation of benzonitrile to benzamide. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 14, Issue 2, 2007. 113-116.
- 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.