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.
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.
2x ултразвукови процесора от модела UIP200hdT със сонди, които действат като електроди, т.е. катод и анод. Ултразвуковата вибрация и кавитация насърчават електрохимичното производство на водород.
Що се отнася до електролизата на водата, разделянето на водата на кислород и водород се постига чрез преминаване 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– → Н2 ж) (редукция на катода)
2Ч2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4е– (окисляване на анода)
Обща реакция: 2H2O (l) → 2H2 ж) + О2 ж)
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.
Предимства на ултразвука при водородна електролиза
- По-високи добиви на водород
- Подобрена енергийна ефективност
Тъй като ултразвукът води до:
- 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
Ultrasonically excited electrolysis is also known as sono-electrolysis. Various ultrasonic factors of sonomechanical and sonochemical nature influence and promote electrochemical reactions. These electrolysis-influencing factors are results of ultrasound-induced cavitation and vibration and include acoustic streaming, micro-turbulences, microjets, shock waves as well as sonochemical effects. Ultrasonic / acoustic cavitation occurs, when high-intensity ultrasound waves are coupled into liquid. The phenomenon of cavitation is characterized by the growth and collapse of so-called cavitation bubbles. The bubble implosion is marked by super-intense, locally occuring forces. These forces include intense local heating of up to 5000K, high pressures of up to 1000 atm, and enormous heating and cooling rates (>100k/sec) and they provoke a unique interaction between matter and energy. For instance, those cavitational forces impact hydrogen bondings in water and facilitate splitting of water clusters which subsequently results in a reduced energy consumption for the electrolysis.
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
Преносът на маса е един от решаващите фактори, влияещи върху скоростта на реакцията, скоростта и добива. По време на електролитните реакции реакционният продукт, например утайки, се натрупва както около, така и директно върху повърхностите на електрода и забавя електролитното превръщане на пресен разтвор в електрода. Ултразвуково насърчаваните електролитни процеси показват повишен пренос на маса в насипния разтвор и в близост до повърхностите. Ултразвуковите вибрации и кавитация премахват пасивиращите слоеве от повърхностите на електродите и по този начин ги поддържат трайно напълно ефективни. Освен това е известно, че сонификацията 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.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 0.02 до 5L | 0.05 до 1 л/мин | UIP500hdT |
| 0.05 до 10L | 0.1 до 2 л/мин | UIP1000hdT |
| 007 до 15 л | 0.15 до 3 л/мин | UIP1500hdT |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за смесване, дисперсия, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и индустриален мащаб.
Факти, които си струва да знаете
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.
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.
- 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.