Ефективно производство на водород с ултразвук
Водородът е алтернативно гориво, което е за предпочитане поради екологичността си и нулевите емисии на въглероден диоксид. Конвенционалното производство на водород обаче не е ефективно за икономично масово производство. Ултразвуково насърчаваната електролиза на вода и алкални водни разтвори води до по-високи добиви на водород, скорост на реакция и скорост на преобразуване. Ултразвуковата електролиза прави производството на водород икономично и енергийно ефективно.
Ултразвуково насърчаваните електрохимични реакции като електролиза и електрокоагулация показват подобрена скорост, скорост и добиви на реакцията.
Ускоряване на производството на водород с помощта на ултразвук и електрохимия
Съчетайте ефективността на ултразвуковата кавитация с прецизността на електрохимичните реакции, за да постигнете по-висок добив на водород и по-ниска енергийна консумация. Усъвършенстваните соно-електрохимични системи на Hielscher подобряват масообмена, повишават активността на катализатора и оптимизират повърхностите на електродите за стабилно и високопроизводително генериране на H₂.
Основни предимства:
- Подобрен пренос на маса: Ултразвуковите вълни намаляват дебелината на дифузионния слой, като осигуряват ефективно подаване на реагентите към електродите.
- Повишена стабилност на катализатора: Ултразвуковата обработка предотвратява агломерацията на наночастиците, като поддържа висока каталитична активност във времето.
- Енергийна ефективност: Оптимизирайте енергопотреблението чрез използване на микросмесването, предизвикано от кавитация, и почистването на повърхностите.
Осигурете постоянна кавитация с висока интензивност благодарение на надеждни ултразвукови процесори, предназначени за непрекъснато производство на H₂ 24 часа в денонощието, 7 дни в седмицата. Получете подробна информация за нашите ултразвукови решения с висока мощност и се свържете с нашите експерти по ултразвукова обработка!
2x ултразвукови процесора от модела UIP2000hdT със сонди, които действат като електроди, т.е. катод и анод. Ултразвуковата вибрация и кавитация насърчават електрохимичното производство на водород.
Ефективно генериране на водород със соникация
Електролизата на вода и водни разтвори с цел производство на водород е обещаващ процес за производство на чиста енергия. Електролизата на водата е електрохимичен процес, при който електричеството се прилага за разделяне на водата на два газа, а именно водород (H2) и кислород (O2). За да се разцепи H – O – H се свързва чрез електролиза, електрически ток преминава през водата.
За електролитната реакция се прилага директна електрическа валута, за да се инициира друга неспонтанна реакция. Електролизата може да генерира водород с висока чистота в прост, екологичен, екологичен процес с нулеви емисии на CO2, тъй като O2 е единственият страничен продукт.
Що се отнася до електролизата на водата, разлагането на водата на кислород и водород се постига чрез пропускане на електрически ток през водата.
В чиста вода при отрицателно заредения катод протича реакция на редукция, при която електроните (e-) от катода се отдават на водородни катиони, така че се образува водороден газ. При положително заредения анод протича реакция на окисление, която генерира кислороден газ, като същевременно дава електрони на анода. Това означава, че водата реагира на анода, за да образува кислород и положително заредени водородни йони (протони). По този начин се завършва следното уравнение на енергийния баланс:
2Ч+ (aq) + 2д– → H₂ (г) (редукция на катода)
2Ч2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4е– (окисляване на анода)
Обща реакция: 2H₂O (т) → 2H₂ (г) + O₂ (г)
Често алкалната вода се използва за електролиза, за да се получи водород. Алкалните соли са разтворими хидроксиди на алкални метали и алкалоземни метали, за които често срещани примери са: натриев хидроксид (NaOH, известен също като сода каустик) и калиев хидроксид (KOH, известен също като каустик поташ). За елеткролиза се използват главно концентрации от 20% до 40% разяждащ разтвор.
Соно-електрохимично производство на водород при ултразвуков катод.
Ултразвуков синтез на водород
Когато водородният газ се произвежда в електролитна реакция, водородът се синтезира точно при потенциала на разлагане. Повърхността на електродите е зоната, където се образува водород на молекулярен етап по време на електрохимичната реакция. Водородните молекули се зараждат на повърхността на електрода, така че впоследствие около катода присъстват мехурчета водороден газ. Използването на ултразвукови електроди подобрява импедансите на активността и концентрацията и ускорява издигането на водородни мехурчета по време на водна електролиза. Няколко проучвания показват, че ултразвуковото производство на водород увеличава ефективно добива на водород.
- По-високи добиви на водород
- Подобрена енергийна ефективност
➡️ Използвайте ултразвукова обработка за:
- Повишен пренос на маса
- Ускорено намаляване на натрупания импеданс
- Намален омичен спад на напрежението
- Намален свръхпотенциал за реакция
- Намален потенциал за разлагане
- Дегазация на вода / воден разтвор
- Почистване на електродни катализатори
Ултразвукови ефекти върху електролизата
Електролизата, предизвикана от ултразвук, е известна още като соноелектролиза. Различни ултразвукови фактори от сономеханичен и сонохимичен характер оказват влияние върху електрохимичните реакции и ги ускоряват.
- Ултразвуковите вълни създават мехурчета
- Мехурчетата се спукват
- Екстремната жега разцепва водните молекули
Факторите, влияещи върху електролизата, са резултат от кавитация и вибрации, предизвикани от ултразвук, и включват акустично течение, микротурбуленции, микроструи, ударни вълни, както и сонохимични ефекти. Ултразвуковата / акустичната кавитация възниква, когато ултразвукови вълни с висока интензивност се въведат в течност. Явлението кавитация се характеризира с образуването и разрушаването на т.нар. кавитационни мехурчета. Имплозията на мехурчетата се характеризира с изключително интензивни, локално възникващи сили. Тези сили включват интензивно локално нагряване до 5000 K, високо налягане до 1000 атм и огромни скорости на нагряване и охлаждане (>100k/сек), като предизвикват уникално взаимодействие между материята и енергията. Например, тези кавитационни сили въздействат върху водородните връзки във водата и улесняват разпадането на водните клъстери, което впоследствие води до намалена консумация на енергия при електролизата.
Ултразвуково въздействие върху електродите
- Отстраняване на отлагания от повърхността на електрода
- Активиране на повърхността на електрода
- Транспортиране на електролити към и далеч от електродите
Ултразвуково почистване и активиране на електродни повърхности
Масовият пренос е един от ключовите фактори, влияещи върху скоростта, темпото и добива на реакцията. По време на електролитни реакции реакционният продукт, например утайките, се натрупва както около, така и директно върху повърхностите на електродите и забавя електролитното превръщане на свежия разтвор към електрода. Електролитни процеси, ускорени с ултразвук, показват повишен масов пренос както в основния разтвор, така и в близост до повърхностите. Ултразвуковите вибрации и кавитацията отстраняват пасивационните слоеве от повърхностите на електродите и по този начин ги поддържат постоянно напълно ефективни. Освен това е известно, че ултразвуковото въздействие подобрява реакционните пътища чрез сонохимични ефекти.
По-нисък омичен спад на напрежението, свръхпотенциал на реакцията и потенциал на разлагане
Напрежението, необходимо за електролиза, е известно като потенциал за разлагане. Ултразвукът може да намали необходимия потенциал за разлагане в процесите на електролиза.
Ултразвукова електролизна клетка
За водната електролиза ултразвуковата енергия, междината между електродите и концентрацията на електролит са ключови фактори, които влияят върху електролизата на водата и нейната ефективност.
За алкална електролиза се използва електролизна клетка с воден разяждащ разтвор обикновено 20%–40% KOH или NaOH. Електрическата енергия се прилага към два електрода.
Електродните катализатори могат да се използват за ускоряване на скоростта на реакцията. Например, Pt електродите са благоприятни, тъй като реакцията протича по-лесно.
Научните изследвания съобщават за 10%-25% икономия на енергия с помощта на ултразвукова електролиза на вода.
Ултразвукови електролизьори за производство на водород в пилотен и промишлен мащаб
Hielscher Ultrasonics’ Индустриалните ултразвукови процесори са създадени за работа 24/7/365 при пълно натоварване и при тежки процеси.
Чрез доставката на здрави ултразвукови системи, специално проектирани сонотроди (сонди), които функционират едновременно като предавател на електроди и ултразвукови вълни, и електролизни реактори, Hielscher Ultrasonics отговаря на специфичните изисквания за производство на електролитен водород. Всички цифрови промишлени ултразвукови уреди от серията UIP (UIP500hdT (500 вата), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2kW) и UIP4000hdT (4kW)) са високоефективни ултразвукови устройства за електролизни приложения.
Ултразвукова сонда на UIP2000hdT функционира като анод. Приложените ултразвукови вълни засилват електролитния синтез на водород.
В таблицата по-долу е представен обзор на нашите соникатори и соно-електроди за електрохимично получаване на H₂ – от изследователската лаборатория до производството:
| Соникатор | Мощност на ултразвука | том |
|---|---|---|
| ФлаконВисокоговорител за високи честоти | 200W | Сокола тръба |
| UP100H | 100 Вт | 10 до 200 мл/мин |
| UP400St | 400 Вт | 20 до 400 мл/мин |
| UIP2000hdT | 2000W | 0.2 до 4 л/мин |
Оптимизирайте добива на водород чрез ултразвукова обработка!
Соноелектрохимична клетка за подобрен синтез на H₂
ЧЗВ – Соно-електрохимично производство на водород
Какво е водород?
Водородът е химичният елемент със символа H и атомен номер 1. Със стандартно атомно тегло от 1,008, водородът е най-лекият елемент в периодичната таблица. Водородът е най-разпространеното химично вещество във Вселената, съставляващо приблизително 75% от цялата барионна маса. H2 е газ, който се образува, когато два водородни атома се свържат заедно и се превърнат във водородна молекула. H2 се нарича още молекулярен водород и е диатомична, хомонуклеарна молекула. Състои се от два протона и два електрона. Имайки неутрален заряд, молекулярният водород е стабилен и по този начин най-често срещаната форма на водород.
Когато водородът се произвежда в промишлен мащаб, природният газ за парен риформинг е най-широко използваната форма на производство. Алтернативен метод е електролизата на вода. По-голямата част от водорода се произвежда в близост до мястото на последното му използване, например в близост до съоръжения за преработка на изкопаеми горива (напр. хидрокрекинг) и производители на торове на основата на амоняк.
Какво представлява соно-електрохимичният синтез на водород?
Соно-електрохимичният синтез е хибридна техника, която съчетава ултразвукова кавитация с електрохимично разлагане на водата. Чрез прилагането на високочестотни звукови вълни – т.е. ултразвук – в електрохимичен реактор, този процес ускорява масообмена, почиства повърхностите на електродите и подобрява общата ефективност на производството на водород в сравнение с традиционната електролиза.
Как ултразвукът подобрява добива на водород при електролизата?
Ултразвукът подобрява производството на водород предимно чрез акустична кавитация. Образуването и разрушаването на микроскопични мехурчета създават интензивна микротурбулентност, която намалява дебелината на дифузионния слой на повърхността на електрода. Това осигурява по-бързо подаване на реагентите към катализатора и спомага за по-ефективното отстраняване на мехурчетата водород, като по този начин предотвратява “газова защита” и позволява постигането на по-високи плътности на тока.
Какви са предимствата на използването на промишлен ултразвуков апарат за синтез на водород?
Използването на ултразвукови процесори с висока интензивност, като модела UIP2000hdT от индустриалната серия UIP на Hielscher, предлага редица предимства:
- Повишена активност на катализатора: Ултразвуковата обработка предотвратява агломерацията на наночастиците, като поддържа високата активност на катализаторите (като Pt, TiO₂ или Ni).
- Почистване на електроди: Ултразвукът непрекъснато почиства повърхностите на електродите, като по този начин намалява поляризацията и удължава експлоатационния срок на компонентите на реактора.
- Мащабируемост: Тези системи са проектирани за непрекъсната работа 24 часа в денонощието, 7 дни в седмицата, което ги прави подходящи както за лабораторни изследвания, така и за производство на водород в промишлен мащаб.
Каква е ролята на кавитацията в соно-електрохимичните реакции?
Акустичната кавитация е основният механизъм в соно-електрохимията. Когато ултразвуковите вълни преминават през течност, те създават редуващи се цикли на високо и ниско налягане. По време на цикъла на ниско налягане се образуват и нарастват миниатюрни вакуумни мехурчета; по време на цикъла на високо налягане те се сриват имплозивно. Това сриване генерира локализирани екстремни температури и налягания, които могат да улеснят химичните реакции и значително да подобрят контакта между електродите и електролита.
Може ли соно-електрохимията да се използва с възобновяеми енергийни източници?
Да. Ултразвуково-електрохимичните системи могат да бъдат интегрирани с възобновяеми енергийни източници, като слънчева или вятърна енергия. Способността на ултразвуковите процесори да работят ефективно при различни нива на мощност ги прави идеално решение за периодично подаване на енергия, което потенциално може да намали въглеродния отпечатък при производството на зелен водород.
Как се сравнява соно-електрохимичното производство на водород с традиционния парови реформинг на метан?
За разлика от паровия метан-реформинг (SMR), който разчита на изкопаеми горива и води до значителни емисии на CO₂, соно-електрохимичният синтез обикновено използва вода като суровина. Макар SMR понастоящем да е по-утвърден метод, соно-електрохимията предлага по-чист, “зелен” алтернатива, която може да се захранва с електроенергия от възобновяеми източници, което я превръща в ключова технология за устойчива водородна икономика.
Литература / Препратки
- 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.