Efikasna proizvodnja vodonika uz pomoć ultrazvuka
Vodik je alternativno gorivo koje je poželjno zbog svoje ekološke prihvatljivosti i nulte emisije ugljičnog dioksida. Međutim, konvencionalna proizvodnja vodonika nije efikasna za ekonomičnu masovnu proizvodnju. Ultrazvučno promovirana elektroliza vode i alkalnih vodenih otopina rezultira većim prinosima vodonika, brzinom reakcije i brzinom konverzije. Ultrazvučna elektroliza čini proizvodnju vodonika ekonomičnom i energetski efikasnom.
Ultrazvučno promovirane elektrohemijske reakcije kao što su elektroliza i elektrokoagulacija pokazuju poboljšanu brzinu, brzinu i prinose reakcije.
Efikasno stvaranje vodonika uz pomoć ultrazvuka
Elektroliza vode i vodenih otopina u svrhu proizvodnje vodika je proces koji obećava za proizvodnju čiste energije. Elektroliza vode je elektrohemijski proces u kojem se električna energija primjenjuje kako bi se voda podijelila na dva plina, odnosno vodonik (H2) i kisik (O2). Da bi se rascijepio H – O – H veze elektrolizom, električna struja prolazi kroz vodu.
Za elektrolitičku reakciju, direktna električna valuta se primjenjuje kako bi se pokrenula inače ne-spontana reakcija. Elektroliza može proizvesti vodonik visoke čistoće u jednostavnom, ekološki prihvatljivom, zelenom procesu s nultom emisijom CO2 jer je O2 jedini nusproizvod.
2x ultrazvučna procesora modela UIP200hdT sa sondama, koje djeluju kao elektrode, tj. katoda i anoda. Ultrazvučne vibracije i kavitacija potiču elektrohemijsku proizvodnju vodonika.
Što se tiče elektrolize vode, cijepanje vode na kisik i vodik postiže se propuštanjem električne struje kroz vodu.
U čistoj vodi na negativno nabijenoj katodi, odvija se reakcija redukcije gdje se elektroni (e−) sa katode doniraju kationima vodonika tako da nastaje plinoviti vodonik. Na pozitivno nabijenoj anodi odvija se reakcija oksidacije koja stvara plin kisika dok anodi daje elektrone. To znači da voda reagira na anodi i formira kisik i pozitivno nabijene vodikove ione (protone). Time se kompletira sljedeća jednačina energetskog bilansa:
2h+ (aq) + 2e– → H2 (g) (redukcija na katodi)
2h2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (oksidacija na anodi)
Ukupna reakcija: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
Često se alkalna voda koristi za elektrolizu kako bi se proizveo vodonik. Alkalne soli su rastvorljivi hidroksidi alkalnih i zemnoalkalnih metala, od kojih su uobičajeni primeri: natrijum hidroksid (NaOH, takođe poznat kao kaustična soda) i kalijum hidroksid (KOH, takođe poznat kao kaustična potaša). Za elektrolizu se uglavnom koriste koncentracije od 20% do 40% kaustične otopine.
Sono-elektrohemijska proizvodnja vodonika na ultrazvučnoj katodi.
Ultrazvučna sinteza vodonika
Kada se u elektrolitičkoj reakciji proizvodi plinoviti vodonik, vodonik se sintetizira upravo na potencijalu razgradnje. Površina elektroda je područje u kojem dolazi do stvaranja vodonika u molekularnoj fazi tokom elektrohemijske reakcije. Molekuli vodonika stvaraju jezgru na površini elektrode, tako da su naknadno prisutni mjehurići plinovitog vodonika oko katode. Korištenje ultrazvučnih elektroda poboljšava impedanciju aktivnosti i impedanciju koncentracije i ubrzava podizanje vodoničnih mjehurića tokom elektrolize vode. Nekoliko studija je pokazalo da ultrazvučna proizvodnja vodonika efikasno povećava prinose vodonika.
Prednosti ultrazvuka na elektrolizu vodika
- Veći prinosi vodonika
- Poboljšana energetska efikasnost
jer ultrazvuk rezultira:
- povećan prijenos mase
- Ubrzano smanjenje akumulirane impedanse
- Smanjen omski pad napona
- Smanjen prepotencijal reakcije
- Smanjeni potencijal razgradnje
- Otplinjavanje vode/vodenog rastvora
- Čišćenje elektrodnih katalizatora
Ultrazvučni efekti na elektrolizu
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.
Ultrazvučni uticaj na elektrode
- Uklanjanje naslaga sa površine elektrode
- Aktivacija površine elektrode
- Transport elektrolita prema i od elektroda
Ultrazvučno čišćenje i aktivacija površina elektroda
Prijenos mase je jedan od ključnih faktora koji utječu na brzinu reakcije, brzinu i prinos. Tokom elektrolitičkih reakcija, produkt reakcije, npr. precipitati, akumulira se oko i direktno na površini elektrode i usporava elektrolitičku konverziju svježeg rastvora u elektrodu. Ultrazvučno promovirani elektrolitski procesi pokazuju povećan prijenos mase u rasutom stanju i blizu površina. Ultrazvučne vibracije i kavitacija uklanjaju slojeve pasivacije sa površina elektroda i tako ih održavaju trajno potpuno efikasnim. Nadalje, poznato je da sonifikacija poboljšava puteve reakcije sonohemijskim efektima.
Donji omski pad napona, prenapona reakcije i potencijal razgradnje
Napon potreban za elektrolizu poznat je kao potencijal razgradnje. Ultrazvuk može smanjiti potreban potencijal razgradnje u procesima elektrolize.
ultrazvučna ćelija za elektrolizu
Za elektrolizu vode, ulaz ultrazvučne energije, elektrodni razmak i koncentracija elektrolita su ključni faktori koji utiču na elektrolizu vode i njenu efikasnost.
Za alkalnu elektrolizu koristi se ćelija za elektrolizu s vodenom otopinom kaustične tvari od 20% do 40% KOH ili NaOH. Električna energija se primjenjuje na dvije elektrode.
Katalizatori elektroda se mogu koristiti za ubrzanje brzine reakcije. Na primjer, Pt elektrode su povoljne jer se reakcija odvija lakše.
Naučno-istraživački članci navode 10%-25% uštede energije upotrebom ultrazvučno promovirane elektrolize vode.
Ultrazvučni elektrolizatori za proizvodnju vodika na pilot i industrijskoj razini
Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori su napravljeni za rad 24/7/365 pod punim opterećenjem i u teškim procesima.
Isporučujući robusne ultrazvučne sisteme, posebno dizajnirane sonotrode (sonde), koje istovremeno funkcionišu kao elektroda i predajnik ultrazvučnih talasa, i reaktore za elektrolizu, Hielscher Ultrasonics zadovoljava specifične zahtjeve za elektrolitičku proizvodnju vodonika. Svi digitalni industrijski ultrasonikatori serije UIP (UIP500hdT (500 vati), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), i UIP4000hdT (4kW)) su ultrazvučne jedinice visokih performansi za primjenu u elektrolizi.
Ultrazvučna sonda UIP2000hdT funkcioniše kao anoda. Primijenjeni ultrazvučni valovi intenziviraju elektrolitičku sintezu vodonika.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0.02 do 5L | 0.05 do 1 l/min | UIP500hdT |
| 0.05 do 10L | 0.1 do 2L/min | UIP1000hdT |
| 0.07 do 15L | 0.15 do 3L/min | UIP1500hdT |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Činjenice koje vrijedi znati
Šta je vodonik?
Vodonik je hemijski element sa simbolom H i atomskim brojem 1. Sa standardnom atomskom težinom od 1,008, vodonik je najlakši element u periodnom sistemu. Vodonik je najzastupljenija hemijska supstanca u svemiru, koja čini otprilike 75% sve barionske mase. H2 je plin koji nastaje kada se dva atoma vodika povežu i postanu molekul vodonika. H2 se također naziva molekularni vodonik i dvoatomna je, homonuklearna molekula. Sastoji se od dva protona i dva elektrona. Imajući neutralan naboj, molekularni vodonik je stabilan i stoga je najčešći oblik vodika.
Kada se vodik proizvodi u industrijskim razmjerima, prirodni plin koji se pretvara u paru je najrasprostranjeniji oblik proizvodnje. Alternativna metoda je elektroliza vode. Većina vodonika se proizvodi u blizini mjesta njegove kasnije upotrebe, npr. u blizini postrojenja za preradu fosilnih goriva (npr. hidrokreking) i proizvođača gnojiva na bazi amonijaka.
Literatura / Reference
- 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.