Ефективно производство на водород с ултразвук
Водородът е алтернативно гориво, което е предпочитано поради екологичността си и нулевите емисии на въглероден диоксид. Конвенционалното получаване на водород обаче не е ефективно за икономично масово производство. Подпомаганата с ултразвук електролиза на вода и алкални водни разтвори води до по-високи добиви на водород, скорост на реакцията и скорост на превръщане. Подпомаганата с ултразвук електролиза прави производството на водород икономично и енергийно ефективно.
Подпомаганите с ултразвук електрохимични реакции, като електролиза и електрокоагулация, показват подобрени скорост, темп и добиви на реакцията.
Ускорете производството на водород със силата на ултразвука и електрохимията
Съчетайте ефективността на ултразвуковата кавитация с прецизността на електрохимичните реакции, за да постигнете по-високи добиви на водород и по-ниско потребление на енергия. Усъвършенстваните соноелектрохимични системи на Hielscher подобряват масопреноса, повишават активността на катализаторите и оптимизират електродните повърхности за постоянно високопроизводително получаване на H₂.
Основни предимства:
- Подобрен масопренос: Ултразвуковите вълни намаляват дебелината на дифузионния слой, като осигуряват ефективно подаване на реагентите към електродите.
- Подобрена стабилност на катализатора: Ултразвуковата обработка предотвратява агломерацията на наночастиците, като поддържа висока каталитична активност с течение на времето.
- Енергийна ефективност: Оптимизирайте вложената енергия чрез предизвиканите от кавитацията микросмесване и почистване на повърхностите.
Осигурете постоянна кавитация с висока интензивност чрез надеждни ултразвукови процесори, предназначени за непрекъснато производство на H₂ 24/7. Получете подробна информация за нашите ултразвукови решения с висока мощност и разговаряйте с нашите експерти по ултразвукова обработка!
2x ултразвукови процесора от модела UIP2000hdT със сонди, които действат като електроди, т.е. катод и анод. Ултразвуковите вибрации и кавитацията подпомагат електрохимичното производство на водород.
Ефективно получаване на водород чрез ултразвукова обработка
Електролизата на вода и водни разтвори с цел получаване на водород е обещаващ процес за производство на чиста енергия. Електролизата на вода е електрохимичен процес, при който се използва електричество за разлагане на водата на два газа, а именно водород (H₂) и кислород (O₂). За разкъсване на връзките H – O – H чрез електролиза през водата се пропуска електрически ток.
За електролитната реакция се прилага постоянен електрически ток, за да се инициира реакция, която иначе не протича спонтанно. Електролизата може да произвежда водород с висока чистота чрез прост, екологичен, зелен процес с нулеви емисии на CO₂, тъй като O₂ е единственият страничен продукт.
При електролизата на вода разлагането на водата на кислород и водород се постига чрез пропускане на електрически ток през водата.
В чиста вода при отрицателно заредения катод протича редукционна реакция, при която електрони (e−) от катода се предават на водородни катиони, така че се образува газообразен водород. При положително заредения анод протича окислителна реакция, която образува газообразен кислород, като същевременно отдава електрони на анода. Това означава, че водата реагира при анода, за да образува кислород и положително заредени водородни йони (протони). По този начин се получава следното уравнение на енергийния баланс:
2H+ (aq) + 2e– → H₂ (g) (редукция при катода)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (окисление при анода)
Обща реакция: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
Често за електролизата се използва алкална вода с цел производство на водород. Алкалните соли са разтворими хидроксиди на алкални и алкалоземни метали, като често срещани примери са: натриев хидроксид (NaOH, известен още като сода каустик) и калиев хидроксид (KOH, известен още като каустичен поташ). За електролиза се използват главно разтвори на основи с концентрации от 20% до 40%.
Соноелектрохимично производство на водород при ултразвуков катод.
Ултразвуков синтез на водород
Когато газообразен водород се произвежда в електролитна реакция, водородът се синтезира точно при потенциала на разлагане. Повърхността на електродите е областта, в която по време на електрохимичната реакция протича образуването на водород на молекулярно ниво. Водородните молекули образуват зародиши на електродната повърхност, така че впоследствие около катода се появяват мехурчета газообразен водород. Използването на ултразвукови електроди подобрява импедансите на активността и концентрационния импеданс и ускорява издигането на водородните мехурчета по време на електролизата на вода. Няколко проучвания показват, че ултразвуковото производство на водород ефективно увеличава добивите на водород.
- По-високи добиви на водород
- Подобрена енергийна ефективност
➡️ Прилагайте ултразвукова обработка за:
- Повишен масопренос
- Ускорено намаляване на натрупания импеданс
- Намален омичен пад на напрежение
- Намалено пренапрежение на реакцията
- Намален потенциал на разлагане
- Дегазиране на вода / воден разтвор
- Почистване на електродните катализатори
Ултразвукови ефекти върху електролизата
Електролизата, възбуждана с ултразвук, е известна още като соноелектролиза. Различни ултразвукови фактори със сономеханичен и сонохимичен характер влияят върху електрохимичните реакции и ги подпомагат.
- Ултразвуковите вълни създават мехурчета
- Мехурчетата колапсират
- Екстремната топлина разлага водните молекули
Факторите, влияещи върху електролизата, са резултат от предизвиканите от ултразвука кавитация и вибрации и включват акустични течения, микротурбулентност, микроструи, ударни вълни, както и сонохимични ефекти. Ултразвукова / акустична кавитация възниква, когато в течност се предават ултразвукови вълни с висока интензивност. Явлението кавитация се характеризира с нарастването и колапса на така наречените кавитационни мехурчета. Имплозията на мехурчетата се характеризира със свръхинтензивни, локално възникващи сили. Тези сили включват интензивно локално нагряване до 5000K, високи налягания до 1000 atm и огромни скорости на нагряване и охлаждане (>100k/sec) и 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 намалено потребление на енергия за електролизата.
Ултразвуково въздействие върху електродите
- Отстраняване на отлагания от електродната повърхност
- Активиране на електродната повърхност
- Пренос на електролити към и от електродите
Ултразвуково почистване и активиране на електродните повърхности
Масопреносът е един от решаващите фактори, влияещи върху скоростта, темпа и добива на реакцията. По време на електролитни реакции продуктите на реакцията, например утайки, се натрупват както около, така и непосредствено върху електродните повърхности и забавят електролитното превръщане на пресния разтвор при електрода. Подпомаганите с ултразвук електролитни процеси показват повишен масопренос в обема на разтвора и близо до повърхностите. Ултразвуковите вибрации и кавитацията отстраняват пасивиращите слоеве от електродните повърхности и по този начин ги поддържат постоянно напълно ефективни. Освен това е известно, че ултразвуковата обработка подобрява реакционните пътища чрез сонохимични ефекти.
По-нисък омичен пад на напрежение, пренапрежение на реакцията и потенциал на разлагане
Напрежението, необходимо за протичане на електролиза, е известно като потенциал на разлагане. Ултразвукът може да понижи необходимия потенциал на разлагане в електролизни процеси.
Ултразвукова електролизна клетка
При електролизата на вода вложената ултразвукова енергия, разстоянието между електродите и концентрацията на електролита са ключови фактори, които влияят върху електролизата на вода и нейната ефективност.
За алкална електролиза се използва електролизна клетка с воден разтвор на основа, обикновено с 20%–40% KOH или NaOH. Към два електрода се подава електрическа енергия.
Могат да се използват електродни катализатори за ускоряване на реакцията. Например Pt електродите са благоприятни, тъй като реакцията протича по-лесно.
Научни статии съобщават за икономия на енергия от 10%–25% при използване на подпомагана с ултразвук електролиза на вода.
Ултразвукови електролизьори за производство на водород в пилотен и промишлен мащаб
Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics са конструирани за работа 24/7/365 при пълно натоварване и в процеси с тежки работни условия.
Като доставя устойчиви ултразвукови системи, специално проектирани сонотроди (сонди), които функционират едновременно като електрод и предавател на ултразвукови вълни, и електролизни реактори, Hielscher Ultrasonics удовлетворява специфичните изисквания за електролитно производство на водород. Всички цифрови промишлени ултразвукови устройства от серията UIP (UIP500hdT (500 вата), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) и UIP4000hdT (4kW)) са високопроизводителни ултразвукови устройства за приложения в електролизата.
Ултразвуковата сонда на UIP2000hdT функционира като анод. Прилаганите ултразвукови вълни усилват електролитния синтез на водород.
Таблицата по-долу ви дава общ преглед на нашите ултразвукови устройства и соноелектроди за електрохимично получаване на H₂ – от изследователската лаборатория до производството:
| Ултразвуково устройство | Ултразвукова мощност | Обем |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Епруветка Falcon |
| UP100H | 100W | 10 до 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 до 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0,2 до 4L/min |
Оптимизирайте добива си на водород чрез ултразвукова обработка!
Соноелектрохимична клетка за подобрен синтез на H2
Често задавани въпроси – Соноелектрохимично производство на водород
Какво е водород?
Водородът е химичният елемент със символ H и атомен номер 1. Със стандартно атомно тегло 1,008 водородът е най-лекият елемент в периодичната таблица. Водородът е най-разпространеното химично вещество във Вселената и представлява приблизително 75% от цялата барионна маса. H₂ е газ, който се образува, когато два водородни атома се свържат и образуват водородна молекула. H₂ се нарича още молекулярен водород и е двуатомна, хомоядрена молекула. Състои се от два протона и два електрона. Тъй като има неутрален заряд, молекулярният водород е стабилен и поради това е най-разпространената форма на водорода.
При производство на водород в промишлен мащаб паровият реформинг на природен газ е най-широко използваният начин на производство. Алтернативен метод е електролизата на вода. По-голямата част от водорода се произвежда близо до мястото на последващото му използване, например близо до съоръжения за преработка на изкопаеми горива (например хидрокрекинг) и производители на торове на основата на амоняк.
Какво представлява соноелектрохимичният синтез на водород?
Соноелектрохимичният синтез е хибридна техника, която съчетава ултразвукова кавитация с електрохимично разлагане на вода. Чрез прилагане на високочестотни звукови вълни – т.е. ултразвук – към електрохимичен реактор процесът подобрява масопреноса, почиства електродните повърхности и повишава общата ефективност на получаването на водород в сравнение с традиционната електролиза.
Как ултразвукът подобрява добива на водород при електролиза?
Ултразвукът подобрява получаването на водород предимно чрез акустична кавитация. Образуването и колапсът на микроскопични мехурчета създават интензивна микротурбулентност, която намалява дебелината на дифузионния слой при електродната повърхност. Това осигурява по-бързо подаване на реагенти към катализатора и помага за по-ефективното отстраняване на мехурчетата газообразен водород, като предотвратява „газовото екраниране“ и позволява по-високи плътности на тока.
Какви са предимствата на използването на промишлено ултразвуково устройство за синтез на водород?
Използването на ултразвукови процесори с висока интензивност, като UIP2000hdT от промишлената серия UIP на Hielscher, предлага няколко предимства:
- Повишена активност на катализатора: Ултразвуковата обработка предотвратява агломерацията на наночастиците, като поддържа катализаторите (като Pt, TiO₂ или Ni) с висока активност.
- Почистване на електродите: Ултразвукът непрекъснато почиства електродните повърхности, като намалява поляризацията и удължава експлоатационния живот на компонентите на реактора.
- Възможност за увеличаване на мащаба: Тези системи са проектирани за непрекъсната работа 24/7, което ги прави подходящи както за лабораторни изследвания, така и за производство на водород в промишлен мащаб.
Каква е ролята на кавитацията в соноелектрохимичните реакции?
Акустичната кавитация е основният механизъм в соноелектрохимията. Когато ултразвуковите вълни преминават през течност, те създават редуващи се цикли на високо и ниско налягане. По време на цикъла с ниско налягане се образуват и нарастват миниатюрни вакуумни мехурчета; по време на цикъла с високо налягане те колапсират имплозивно. Този колапс създава локализирани екстремни температури и налягания, които могат да улеснят химичните реакции и значително да подобрят контакта между електродите и електролита.
Може ли соноелектрохимията да се използва с възобновяеми енергийни източници?
Да. Соноелектрохимичните системи могат да се интегрират с възобновяеми енергийни източници, като слънчева или вятърна енергия. Способността на ултразвуковите процесори да работят ефективно при различни нива на мощност ги прави отлично съвместими с непостоянно енергоснабдяване, като потенциално намалява въглеродния отпечатък на производството на зелен водород.
Как се сравнява соноелектрохимичното производство на водород с традиционния паров реформинг на метан?
За разлика от паровия реформинг на метан (SMR), който разчита на изкопаеми горива и отделя значителни количества CO₂, соноелектрохимичният синтез обикновено използва вода като суровина. Въпреки че понастоящем SMR е по-утвърден, соноелектрохимията предлага по-чиста, „зелена“ алтернатива, която може да се захранва с електричество от възобновяеми източници, което я прави ключова технология за устойчива водородна икономика.
Литература / Източници
- 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.