Efikasna proizvodnja vodika sa ultrazvučnicima
Vodik je alternativno gorivo koje je poželjno zbog svoje ekološko-prijateljice i nulte emisije ugljičnog dioksida. Međutim, konvencionalna proizvodnja vodika nije efikasna za ekonomičnu masovnu proizvodnju. Ultrazvučno promovisana elektroliza vode i alkalnih vodenih rastvora rezultira višim prinosima vodika, brzinom reakcije i brzinom konverzije. Ultrazvučno asistiranom elektrolizom proizvodnja vodika čini ekonomičnom i energetskom efikasnom.
Ultrazvučno promovisane elektrohemičke reakcije kao što su elektroliza i elektrokoagulacija pokazuju poboljšanu brzinu reakcije, stopu i prinose.
Efikasna generacija vodika sa sonicationom
Elektroliza vode i vodenih rastvora u svrhu proizvodnje vodonika je obećavajući proces za proizvodnju čiste energije. Elektroliza vode je elektrohemijski proces u kojem se električna energija primjenjuje za cijepanje vode na dva plina, a to su vodik (H2) i kisik (O2). Da bi se osušio H – The – H veze elektrolizom, električna struja se vodi kroz vodu.
Za elektrolitsku reakciju, direktna električna valuta se primjenjuje za pokretanje druge nespontane reakcije. Elektroliza može generisati vodonik visoke čistoće u jednostavnom, ekološki prihvatljivom, zelenom procesu sa nultom emisijom CO2, jer je O2 jedini nusproizvod.
2x ultrazvučni procesori modela UIP200hdT sa sondama, koje djeluju kao elektrode, odnosno katode i anoda. Ultrazvučne vibracije i kavitacija podstiču elektrohemijsku proizvodnju vodonika.
Što se tiče elektrolize vode, cijepanje vode u kisik i vodik postiže se prolaskanjem električne struje kroz vodu.
U čistoj vodi kod negativno naelektrisane katode, reakcija redukcije se dogadja gdje se elektroni (e−) iz katode doniraju kacijama vodika tako da se formira gas vodika. Kod pozitivno naelektrisane anode, desi se oksidacijska reakcija, koja generiše gas kiseonika dok daje elektrone anodi. To znači da voda reaguje na anodi da formira kisik i pozitivno naboje vodikovih iona (protona). Time je završena sljedeća jednačina energetske ravnoteže:
2H+ (aq) + 2e– → H2 (g) (redukcija na katodu)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (oksidacija na anodi)
Sveukupna reakcija: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
Često se alkalna voda koristi za elektrolizu za proizvodnju vodika. Alkalne soli su rastvorljivi hidroksidi alkalnih metala i zemnoalkalnih metala, od kojih su uobičajeni primeri: natrijum hidroksid (NaOH, poznat i kao kaustična soda) i kalijum hidroksid (KOH, poznat i kao kaustična potaša). Za eletkrolizu koriste se uglavnom koncentracije od 20% do 40% kaustične otopine.
Sono-elektrohemijska proizvodnja vodonika na ultrazvučnoj katodi.
Ultrazvučna sinteza vodika
Kada se vodik gas proizvede u elektrolitički reakciji, vodik se sintetizira upravo pri potencijalu raspadanja. Površina elektroda je područje, gdje se formiranje vodika javlja na molekularnoj fazi tokom elektrohemske reakcije. Molekule vodika nukleatiraju na površini elektroda, tako da su naknadno mjehurići gasa vodika prisutni oko katode. Korištenjem ultrazvučnih elektroda poboljšava se impedancija aktivnosti i impedancija koncentracije i ubrzava porast mjehurića vodika tokom elektrolize vode. Nekoliko studija pokazalo je da ultrazvučna proizvodnja vodika efikasno povećava prinose vodika.
Prednosti ultrazvučnika na elektrolizi vodika
- Veći prinosi vodika
- Poboljšana energetska efikasnost
kao ultrazvuk rezultira :
- povećao prijenos mase
- Ubrzano smanjenje akumulirane impedancije
- Smanjen pad ohmičkih napona
- Smanjena reakcija overpotencijala
- Smanjen potencijal raspadanja
- Odmasivanje vode / vodenog rastvora
- Čišćenje katalizista elektroda
Ultrazvučni efekti na elektrolizu
Ultrazvučno uzbuđena elektroliza poznata je i kao sono-elektroliza. Razni ultrazvučni faktori sonomehaničko-sonohemijskih uticaja na prirodu i promovišu elektrohemske reakcije. Ovi faktori koji utiču na elektrolizu su rezultati kavitacije i vibracije izazvane ultrazvukom i uključuju akustičko strujanje, mikro turbulencije, mikrojele, udarne talase kao i sonohemijski efekti. Javlja se ultrazvučna / akustična kavitacija, kada su ultrazvučni talasi visokog inteziteta zajedno u tečnost. Fenomen kavitacije karakterizira rast i kolaps nazovi kavitacionih mjehurića. Implozija mjehurića je označena super intenzivnim, lokalno javljajućim silama. Ove snage uključuju intenzivno lokalno grijanje do 5000K, visoke pritiske do 1000 atma, te ogromne stope grijanja i hlađenja (>100k/sec) i izazivaju jedinstvenu interakciju između materije i energije. Na primjer, te kavitacione sile eimpactiraju vezivanje vodika u vodi i olakšaju cijepanje vodenih klastera što naknadno rezultira smanjenom potrošnjom energije za elektrolizu.
Ultrazvučni utjecaj na elektrode
- Uklanjanje naslaga sa površine elektroda
- Aktivacija površine elektroda
- Transport elektrolita prema i dalje od elektroda
Ultrazvučno čišćenje i aktivacija elektrodnih površina
Prijenos mase je jedan od presudnih faktora koji utiču na brzinu reakcije, brzinu i prinos. Tokom elektrolitičke reakcije, produkt reakcije, npr. pada, akumulira se okolo kao i direktno na elektrodnim površinama i umanjuje elektrolitičku konverziju svježeg rastvora u elektrodu. Ultrazvučno promovisani elektrolitički procesi pokazuju povećan prijenos mase u rasutom rastvoru i blizu površina. Ultrazvučne vibracije i kavitacija uklanjaju sloje pasivnosti sa površina elektroda i drže ih tako trajno u potpunosti efikasnim. Nadalje, poznato je da sonifikacija poboljšava puteve reakcije sonohemijskim efektima.
Donji ohmički pad napona, reakcija overpotentijalna, i potencijal raspadanja
Napon potreban za pojavu elektrolize poznat je kao potencijal raspadanja. Ultrazvuk može sniziti potreban potencijal raspadanja u procesima elektrolize.
Ultrazvučna ćelija elektrolize
Za elektrolizu vode, ulaz ultrazvučne energije, praznina elektroda i koncentracija elektrolita su ključni faktori koji utiče na elektrolizu vode i njenu efikasnost.
Za alkalnu elektrolizu, koristi se elektrolizna ćelija sa vodnim kaustičnim rastvorom od obično 20%–40% KOH ili NaOH. Električna energija se primjenjuje na dvije elektrode.
Elektrodni katalizatori se mogu koristiti za ubrzavanje brzine reakcije. Na primjer, Pt elektrode su povoije, jer se reakcija odvija lakše.
Naučno-istraživački članci izvještavaju o uštedi energije od 10%-25% koristeći ultrazvučno promovisanu elektrolizu vode.
Ultrazvučni elektrolizeri za proizvodnju vodika na pilotskoj i industrijskoj skali
Hielscher Ultrazvuk’ industrijski ultrazvučni procesori su izgrađeni za operaciju 24/7/365 pod punim teretom i u teškim procesima.
Snabdijevajući robusne ultrazvučne sisteme, specijalne dizajnirane sonotrode (sonde), koje funkcioniraju kao elektroda i ultrazvučni valni odašiljač u isto vrijeme, i elektrolizi reaktori, Hielscher Ultrasonics caters specifične zahtjeve za proizvodnju elektrolitički vodik. Svi digitalni industrijski ultrasonicatori UIP serije (UIP500hdT (500 vata), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), i UIP4000hdT (4kW)) su ultrazvučne jedinice visokih performansi za elektrolizu aplikacija.
Ultrazvučna sonda UIP2000hdT funkcioniše kao anoda. Primijenjeni ultrazvučni talasi intenziviraju elektrolitičke sinteze vodika.
Tabela u nastavku daje naznaku približan kapacitet prerade naših ultrasonicators:
| Batch Volumen | protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0.02 do 5L | 0.05 do 1L/min | UIP500hdT |
| 0.05 do 10L | 0.1 do 2L/min | UIP1000hdT |
| 0.07 do 15L | 0.15 do 3L/min | UIP1500hdT |
| 00,1 do 20L | 00,2 do 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L / min | UIP4000hdT |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za miješanje aplikacija, disperziju, emulgaciju i ekstrakciju na laboratorijskim, pilotskim i industrijskim skalama.
Činjenice vredi znati
Šta je Hidrogen?
Vodik je hemijski element sa simbolom H i atomskim brojem 1. Sa standardnom atomskom težinom od 1.008, vodik je najlađi element u periodnom tabeli. Vodik je najobilnija hemijska supstanca u svemiru, koja čini otprilike 75% svih barionskih masa. H2 je gas koji se formira kada se dva atoma vodika zbliže i postanu molekula vodika. H2 se naziva i molekularni vodik i je dijatomska, homonuklearna molekula. Sastoji se od dva protona i dva elektrona. Imajući neutralno punjenje, molekularni vodik je stabilno i time i najčešće forme vodika.
Kada se vodik proizvodi u industrijskim razmjerima, parna reforma prirodnog gasa je najrašireniji proizvodni oblik. Alternativna metoda je elektroliza vode. Većina vodika se proizvodi u blizini mjesta njegove drugo upotrebe, npr. u blizini objekata za preradu fosilnih goriva (npr. hidrokrakiranje) i proizvođača đubriva na bazi amonijaka.
Književnost/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.