Ultrasəslə səmərəli hidrogen istehsalı
Hidrogen ətraf mühitə uyğunluğu və sıfır karbon dioksid emissiyası sayəsində üstünlük verilən alternativ yanacaqdır. Lakin ənənəvi hidrogen istehsalı iqtisadi cəhətdən sərfəli kütləvi istehsal üçün səmərəli deyil. Suyun və qələvi sulu məhlulların ultrasəslə intensivləşdirilən elektrolizi daha yüksək hidrogen çıxımına, reaksiya sürətinə və çevrilmə sürətinə gətirib çıxarır. Ultrasəsin köməyi ilə aparılan elektroliz hidrogen istehsalını iqtisadi cəhətdən sərfəli və enerji baxımından səmərəli edir.
Elektroliz və elektrokoaqulyasiya kimi ultrasəslə intensivləşdirilən elektrokimyəvi reaksiyalar təkmilləşmiş reaksiya sürəti, tempi və çıxımı nümayiş etdirir.
Ultrasəs və elektrokimyanın gücü ilə hidrogen istehsalını sürətləndirin
Daha yüksək hidrogen çıxımına və daha az enerji sərfinə nail olmaq üçün ultrasəs kavitasiyasının səmərəliliyini elektrokimyəvi reaksiyaların dəqiqliyi ilə birləşdirin. Hielscher şirkətinin qabaqcıl sono-elektrokimyəvi sistemləri sabit və yüksək məhsuldarlıqlı H₂ istehsalı üçün kütlə ötürülməsini gücləndirir, katalizatorun aktivliyini yaxşılaşdırır və elektrod səthlərini optimallaşdırır.
Əsas üstünlüklər:
- Gücləndirilmiş kütlə ötürülməsi: Ultrasəs dalğaları diffuziya təbəqəsinin qalınlığını azaldaraq reagentlərin elektrodlara səmərəli çatdırılmasını təmin edir.
- Təkmilləşdirilmiş katalizator sabitliyi: Ultrasəslə emal nanohissəciklərin aqqlomerasiyasının qarşısını alaraq zaman keçdikcə yüksək katalitik aktivliyi qoruyur.
- Enerji səmərəliliyi: Kavitasiyanın yaratdığı mikroqarışdırma və səth təmizlənməsindən istifadə edərək enerji girişini optimallaşdırın.
Fasiləsiz 24/7 H₂ istehsalı üçün hazırlanmış etibarlı ultrasəs prosessorları ilə sabit, yüksək intensivlikli kavitasiyanı təmin edin. Yüksək güclü ultrasəs həllərimiz haqqında ətraflı məlumat əldə edin və ultrasəslə emal üzrə mütəxəssislərimizlə danışın!
Zondlarla təchiz edilmiş 2x UIP2000hdT model ultrasəs prosessoru, bu zondlar elektrod, yəni katod və anod kimi fəaliyyət göstərir. Ultrasəs titrəyişləri və kavitasiya elektrokimyəvi hidrogen istehsalını intensivləşdirir.
Ultrasəslə emal vasitəsilə səmərəli hidrogen istehsalı
Hidrogen istehsalı məqsədilə suyun və sulu məhlulların elektrolizi təmiz enerji istehsalı üçün perspektivli prosesdir. Suyun elektrolizi suyu iki qaza, yəni hidrogenə (H₂) və oksigenə (O₂) parçalamaq üçün elektrik enerjisinin tətbiq olunduğu elektrokimyəvi prosesdir. H – O – H rabitələrini elektrolizlə qırmaq üçün sudan elektrik cərəyanı keçirilir.
Elektrolitik reaksiyada başqa halda özbaşına getməyən reaksiyanı başlatmaq üçün sabit elektrik cərəyanı tətbiq olunur. O₂ yeganə əlavə məhsul olduğundan, elektroliz sıfır CO₂ emissiyalı sadə, ətraf mühitə uyğun, yaşıl proses vasitəsilə yüksək təmizlikli hidrogen istehsal edə bilər.
Suyun elektrolizində suyun oksigenə və hidrogenə parçalanması sudan elektrik cərəyanı keçirməklə həyata keçirilir.
Saf suda mənfi yüklü katodda reduksiya reaksiyası baş verir və katoddan gələn elektronlar (e−) hidrogen kationlarına ötürülərək hidrogen qazının əmələ gəlməsinə səbəb olur. Müsbət yüklü anodda oksidləşmə reaksiyası baş verir; bu reaksiya elektronları anoda verərək oksigen qazı yaradır. Bu o deməkdir ki, su anodda reaksiyaya girərək oksigen və müsbət yüklü hidrogen ionları (protonlar) əmələ gətirir. Beləliklə, aşağıdakı enerji balansı tənliyi tamamlanır:
2H+ (aq) + 2e– → H₂ (g) (katodda reduksiya)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (anodda oksidləşmə)
Ümumi reaksiya: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
Hidrogen istehsal etmək üçün elektrolizdə çox vaxt qələvi sudan istifadə olunur. Qələvi duzlar qələvi metalların və qələvi-torpaq metallarının həll olan hidroksidləridir; onların geniş yayılmış nümunələri natrium hidroksid (NaOH, kaustik soda kimi də tanınır) və kalium hidroksiddir (KOH, kaustik potaş kimi də tanınır). Elektroliz üçün əsasən konsentrasiyası 20% ilə 40% arasında olan kaustik məhlullardan istifadə olunur.
Ultrasəs katodunda hidrogenin sono-elektrokimyəvi istehsalı.
Hidrogenin ultrasəslə sintezi
Elektrolitik reaksiyada hidrogen qazı istehsal edilərkən hidrogen məhz parçalanma potensialında sintez olunur. Elektrodların səthi elektrokimyəvi reaksiya zamanı molekulyar səviyyədə hidrogenin əmələ gəldiyi sahədir. Hidrogen molekulları elektrod səthində nüvələşir və nəticədə katodun ətrafında hidrogen qazı qabarcıqları yaranır. Ultrasəs elektrodlarından istifadə aktivlik impedanslarını və konsentrasiya impedansını yaxşılaşdırır, həmçinin suyun elektrolizi zamanı hidrogen qabarcıqlarının yuxarı qalxmasını sürətləndirir. Bir sıra tədqiqatlar ultrasəslə hidrogen istehsalının hidrogen çıxımını səmərəli şəkildə artırdığını göstərmişdir.
- Daha yüksək hidrogen çıxımı
- Təkmilləşdirilmiş enerji səmərəliliyi
➡️ Aşağıdakılar üçün ultrasəslə emal tətbiq edin:
- Kütlə ötürülməsinin artırılması
- Yığılmış impedansın azalmasının sürətləndirilməsi
- Omik gərginlik düşməsinin azaldılması
- Reaksiyanın ifrat potensialının azaldılması
- Parçalanma potensialının azaldılması
- Suyun / sulu məhlulun qazsızlaşdırılması
- Elektrod katalizatorlarının təmizlənməsi
Ultrasəsin elektrolizə təsirləri
Ultrasəslə həyəcanlandırılan elektroliz sono-elektroliz kimi də tanınır. Sono-mexaniki və sono-kimyəvi xarakterli müxtəlif ultrasəs amilləri elektrokimyəvi reaksiyalara təsir edir və onları intensivləşdirir.
- Ultrasəs dalğaları qabarcıqlar yaradır
- Qabarcıqlar çökür
- Həddindən artıq istilik su molekullarını parçalayır
Elektrolizə təsir edən amillər ultrasəsin yaratdığı kavitasiya və titrəyişlərin nəticəsidir və bunlara akustik axınlar, mikroturbulentlik, mikroşırnaqlar, zərbə dalğaları, eləcə də sono-kimyəvi təsirlər daxildir. Ultrasəs / akustik kavitasiya yüksək intensivlikli ultrasəs dalğaları mayeyə ötürüldükdə baş verir. Kavitasiya hadisəsi kavitasiya qabarcıqları adlanan qabarcıqların böyüməsi və çökməsi ilə səciyyələnir. Qabarcığın içəriyə doğru çökməsi yerli olaraq yaranan fövqəladə intensiv qüvvələrlə xarakterizə olunur. Bu qüvvələrə 5000K-yə qədər intensiv yerli qızma, 1000 atm-ə qədər yüksək təzyiqlər və son dərəcə yüksək qızma və soyuma sürətləri (>100k/sec) daxildir və onlar maddə ilə enerji arasında unikal qarşılıqlı təsir yaradır. Məsələn, bu kavitasiya qüvvələri sudakı hidrogen rabitələrinə təsir edir və su klasterlərinin parçalanmasını asanlaşdırır; bu isə sonradan elektroliz üçün enerji sərfinin azalmasına gətirib çıxarır.
Ultrasəsin elektrodlara təsiri
- Elektrod səthindən çöküntülərin uzaqlaşdırılması
- Elektrod səthinin aktivləşdirilməsi
- Elektrolitlərin elektrodlara doğru və elektrodlardan uzağa daşınması
Elektrod səthlərinin ultrasəslə təmizlənməsi və aktivləşdirilməsi
Kütlə ötürülməsi reaksiyanın sürətinə, tempinə və çıxımına təsir edən həlledici amillərdən biridir. Elektrolitik reaksiyalar zamanı reaksiya məhsulu, məsələn, çöküntülər elektrod səthlərinin həm ətrafında, həm də birbaşa üzərində yığılır və elektrod səthində təzə məhlulun elektrolitik çevrilməsini ləngidir. Ultrasəslə intensivləşdirilən elektrolitik proseslər məhlulun əsas həcmində və səthlərin yaxınlığında artmış kütlə ötürülməsi nümayiş etdirir. Ultrasəs titrəyişləri və kavitasiya elektrod səthlərindən passivləşmə təbəqələrini uzaqlaşdırır və bununla da onları daim tam səmərəli saxlayır. Bundan əlavə, ultrasəslə emalın sono-kimyəvi təsirlər vasitəsilə reaksiya yollarını yaxşılaşdırdığı məlumdur.
Daha aşağı omik gərginlik düşməsi, reaksiya ifrat potensialı və parçalanma potensialı
Elektrolizin baş verməsi üçün tələb olunan gərginlik parçalanma potensialı kimi tanınır. Ultrasəs elektroliz proseslərində zəruri parçalanma potensialını azalda bilər.
Ultrasəs elektroliz hüceyrəsi
Suyun elektrolizində ultrasəs enerjisinin girişi, elektrodlararası məsafə və elektrolit konsentrasiyası suyun elektrolizinə və onun səmərəliliyinə təsir edən əsas amillərdir.
Qələvi elektroliz üçün adətən 20%–40% KOH və ya NaOH sulu kaustik məhlulu olan elektroliz hüceyrəsindən istifadə olunur. Elektrik enerjisi iki elektroda tətbiq edilir.
Reaksiya sürətini artırmaq üçün elektrod katalizatorlarından istifadə edilə bilər. Məsələn, reaksiya daha asan getdiyindən Pt elektrodları əlverişlidir.
Elmi tədqiqat məqalələrində suyun ultrasəslə intensivləşdirilən elektrolizindən istifadə etməklə 10%–25% enerji qənaəti əldə olunduğu bildirilir.
Təcrübə-sınaq və sənaye miqyasında hidrogen istehsalı üçün ultrasəs elektrolizatorları
Hielscher Ultrasonics-in sənaye ultrasəs prosessorları tam yük altında və ağır iş rejimli proseslərdə 24/7/365 işləmək üçün hazırlanmışdır.
Hielscher Ultrasonics möhkəm ultrasəs sistemləri, eyni zamanda həm elektrod, həm də ultrasəs dalğalarının ötürücüsü kimi fəaliyyət göstərən xüsusi hazırlanmış sonotrodlar (zondlar) və elektroliz reaktorları təmin etməklə elektrolitik hidrogen istehsalının xüsusi tələblərini qarşılayır. UIP seriyasının bütün rəqəmsal sənaye ultrasəs cihazları (UIP500hdT (500 vatt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) və UIP4000hdT (4kW)) elektroliz tətbiqləri üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs qurğularıdır.
UIP2000hdT cihazının ultrasəs zondu anod kimi fəaliyyət göstərir. Tətbiq olunan ultrasəs dalğaları hidrogenin elektrolitik sintezini intensivləşdirir.
Aşağıdakı cədvəl tədqiqat laboratoriyasından istehsala qədər elektrokimyəvi H₂ istehsalı üçün ultrasəs cihazlarımız və sono-elektrodlarımız haqqında ümumi məlumat verir:
| Ultrasəs cihazı | Ultrasəs gücü | Həcm |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Falcon sınaq borusu |
| UP100H | 100W | 10–200mL/min |
| UP400St | 400W | 20–400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0,2–4L/min |
Ultrasəslə emal vasitəsilə hidrogen çıxımınızı optimallaşdırın!
Təkmilləşdirilmiş H2 sintezi üçün sono-elektrokimyəvi hüceyrə
Tez-tez verilən suallar – Sono-elektrokimyəvi hidrogen istehsalı
Hidrogen nədir?
Hidrogen simvolu H və atom nömrəsi 1 olan kimyəvi elementdir. Standart atom çəkisi 1,008 olan hidrogen dövri cədvəldə ən yüngül elementdir. Hidrogen kainatda ən çox rast gəlinən kimyəvi maddədir və bütün barion kütləsinin təxminən 75%-ni təşkil edir. H₂ iki hidrogen atomunun bir-biri ilə rabitə yaradaraq hidrogen molekuluna çevrilməsi nəticəsində əmələ gələn qazdır. H₂ molekulyar hidrogen də adlanır və iki atomlu, eyni nüvəli molekuldur. O, iki protondan və iki elektrondan ibarətdir. Neytral yüklü molekulyar hidrogen sabitdir və buna görə də hidrogenin ən çox rast gəlinən formasıdır.
Hidrogen sənaye miqyasında istehsal edilərkən ən geniş istifadə olunan istehsal üsulu təbii qazın buxar reforminqidir. Alternativ üsul suyun elektrolizidir. Hidrogenin böyük hissəsi sonradan istifadə ediləcəyi yerə yaxın, məsələn, fosil yanacaq emalı müəssisələrinin (məsələn, hidrokrekinq) və ammonyak əsaslı gübrə istehsalçılarının yaxınlığında istehsal olunur.
Hidrogenin sono-elektrokimyəvi sintezi nədir?
Sono-elektrokimyəvi sintez ultrasəs kavitasiyasını suyun elektrokimyəvi parçalanması ilə birləşdirən hibrid üsuldur. Elektrokimyəvi reaktora yüksək tezlikli səs dalğaları – yəni ultrasəs – tətbiq etməklə bu proses ənənəvi elektrolizlə müqayisədə kütlə ötürülməsini gücləndirir, elektrod səthlərini təmizləyir və hidrogen istehsalının ümumi səmərəliliyini artırır.
Ultrasəs elektrolizdə hidrogen çıxımını necə artırır?
Ultrasəs hidrogen istehsalını əsasən akustik kavitasiya vasitəsilə yaxşılaşdırır. Mikroskopik qabarcıqların yaranması və çökməsi elektrod səthində diffuziya təbəqəsinin qalınlığını azaldan intensiv mikroturbulentlik yaradır. Bu, reagentlərin katalizatora daha sürətli çatdırılmasını təmin edir və hidrogen qazı qabarcıqlarının daha səmərəli uzaqlaşdırılmasına kömək edərək “qazla ekranlanmanın” qarşısını alır və daha yüksək cərəyan sıxlıqlarına imkan verir.
Hidrogen sintezi üçün sənaye ultrasəs cihazından istifadənin üstünlükləri hansılardır?
Hielscher şirkətinin sənaye səviyyəli UIP seriyasına aid UIP2000hdT kimi yüksək intensivlikli ultrasəs prosessorlarından istifadə bir sıra üstünlüklər təmin edir:
- Gücləndirilmiş katalizator aktivliyi: Ultrasəslə emal nanohissəciklərin aqqlomerasiyasının qarşısını alaraq katalizatorları (məsələn, Pt, TiO₂ və ya Ni) yüksək aktivlikdə saxlayır.
- Elektrodların təmizlənməsi: Ultrasəs elektrod səthlərini fasiləsiz təmizləyərək qütbləşməni azaldır və reaktor komponentlərinin xidmət müddətini uzadır.
- Miqyasın artırılması imkanı: Bu sistemlər fasiləsiz 24/7 işləmək üçün hazırlanmışdır və buna görə həm laboratoriya tədqiqatları, həm də sənaye miqyasında hidrogen istehsalı üçün uyğundur.
Sono-elektrokimyəvi reaksiyalarda kavitasiyanın rolu nədir?
Akustik kavitasiya sono-elektrokimyanın əsas mexanizmidir. Ultrasəs dalğaları mayedən keçərkən növbələşən yüksək və aşağı təzyiq dövrləri yaradır. Aşağı təzyiq dövründə kiçik vakuum qabarcıqları əmələ gəlir və böyüyür; yüksək təzyiq dövründə isə onlar içəriyə doğru çökür. Bu çökmə yerli olaraq həddindən artıq yüksək temperatur və təzyiqlər yaradır; bunlar kimyəvi reaksiyaları asanlaşdıra və elektrodlarla elektrolit arasındakı təması əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilər.
Sono-elektrokimyadan bərpa olunan enerji mənbələri ilə birlikdə istifadə edilə bilərmi?
Bəli. Sono-elektrokimyəvi sistemlər günəş və ya külək enerjisi kimi bərpa olunan enerji mənbələri ilə inteqrasiya edilə bilər. Ultrasəs prosessorlarının müxtəlif güc səviyyələrində səmərəli işləmək qabiliyyəti onları fasiləli enerji təchizatı üçün çox uyğun edir və yaşıl hidrogen istehsalının karbon izini potensial olaraq azalda bilər.
Sono-elektrokimyəvi hidrogen istehsalı ənənəvi metanın buxar reforminqi ilə müqayisədə necədir?
Fosil yanacaqlara əsaslanan və əhəmiyyətli miqdarda CO₂ buraxan metanın buxar reforminqindən (SMR) fərqli olaraq, sono-elektrokimyəvi sintez adətən xammal kimi sudan istifadə edir. SMR hazırda daha geniş tətbiq olunsa da, sono-elektrokimya bərpa olunan elektrik enerjisi ilə işləyə bilən daha təmiz, “yaşıl” alternativ təklif edir və bu, onu dayanıqlı hidrogen iqtisadiyyatı üçün əsas texnologiyalardan birinə çevirir.
Ədəbiyyat / İstinadlar
- 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.