Brint er et alternativt brændstof, der er at foretrække på grund af dets miljøvenlighed og nul kuldioxidemission. Konventionel brintproduktion er imidlertid ikke effektiv til økonomisk masseproduktion. Ultralydsfremmes elektrolyse af vand- og alkalisk vandopløsninger resulterer i højere brintudbytte, reaktionshastighed og konverteringshastighed. Ultralydassisteret elektrolyse gør brintproduktionen økonomisk og energieffektiv.
Ultralyd fremmes elektrokemiske reaktioner såsom elektrolyse og elektrokoagulation viser forbedret reaktionshastighed, hastighed og udbytter.

Effektiv brintproduktion med sonikering

Elektrolyse af vand og vandige opløsninger med henblik på brintproduktion er en lovende proces til produktion af ren energi. Elektrolyse af vand er en elektrokemisk proces, hvor elektricitet påføres til at opdele vand i to gasser, nemlig brint (H2) og ilt (O2). For at spalte H – den – H bindinger ved elektrolyse, en elektrisk strøm køres gennem vandet.
Til den elektrolytiske reaktion anvendes en direkte elektrisk valuta til at initiere en anden ikke-spontan reaktion. Elektrolyse kan generere brint af høj renhed i en enkel, miljøvenlig, grøn proces med nul CO2-udledning, da O2 er det eneste biprodukt.

 
Med hensyn til elektrolyse af vand, opdeling af vand i ilt og brint opnås ved at passere en elektrisk strøm gennem vandet.
I rent vand ved den negativt ladede katode finder en reduktionsreaktion sted, hvor elektroner (e−) fra katoden doneres til hydrogenkationer, så der dannes hydrogengas. Ved den positivt ladede anode finder en oxidationsreaktion sted, som genererer iltgas, mens den giver elektroner til anoden. Dette betyder, at vand reagerer ved anoden for at danne ilt og positivt ladede hydrogenioner (protoner). Derved afsluttes følgende ligning af energibalancen:
 
kr.⁺ (aq) + 2e^– → H₂ g) (reduktion ved katoden)
kr.₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oxidation ved anoden)
Samlet reaktion: 2H₂O (l) → 2H₂ g) + O₂ g)
 
Ofte anvendes alkalisk vand til elektrolysen for at producere brint. Alkalisalte er opløselige hydroxider af alkalimetaller og jordalkalimetaller, hvoraf almindelige eksempler er: Natriumhydroxid (NaOH, også kendt som kaustisk soda) og kaliumhydroxid (KOH, også kendt som kaustisk kaliumchlorid). Til eletkrolyse anvendes hovedsageligt koncentrationer på 20% til 40% kaustisk opløsning.

 

 

Ultralyd syntese af brint

Når brintgas produceres i en elektrolytisk reaktion, syntetiseres brinten lige ved nedbrydningspotentialet. Overfladen af elektroder er det område, hvor hydrogendannelse forekommer på molekylær fase under den elektrokemiske reaktion. Brintmolekylerne nukleerer ved elektrodeoverfladen, så der efterfølgende er brintgasbobler omkring katoden. Brug af ultralydelektroder forbedrer aktivitets impedanser og koncentration impedans og accelererer stigende af brintbobler under vandelektrolyse. Flere undersøgelser viste, at ultralyd brintproduktion øger brintudbyttet effektivt.

 

Ultralydeffekter på elektrolyse

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.
 
Ultralydpåvirkning på elektroderne

• Fjernelse af aflejringer fra elektrodeoverfladen
• Aktivering af elektrodeoverfladen
• Transport af elektrolytter mod og væk fra elektroder

 

Ultralydsrensning og aktivering af elektrodeoverflader

Masseoverførsel er en af de afgørende faktorer, der påvirker reaktionshastighed, hastighed og udbytte. Under elektrolytiske reaktioner ophobes reaktionsproduktet, f.eks. Ultralydsfremmede elektrolytiske processer viser en øget masseoverførsel i bulkopløsningen og nær overfladerne. Ultralydvibrationer og kavitation fjerner passivationslag fra elektrodeoverfladerne og holder dem derved permanent fuldt effektive. Endvidere, sonificering er kendt for at forbedre reaktionsveje ved sonokemiske virkninger.

Lavere ohmisk spændingsfald, reaktionsoverpotentiale og nedbrydningspotentiale

Den spænding, der kræves for elektrolyse at forekomme, er kendt som nedbrydning potentiale. Ultralyd kan sænke det nødvendige nedbrydningspotentiale i elektrolyseprocesser.

Ultralyd elektrolysecelle

For vandelektrolyse, ultralydsenergitilførsel, elektrodehul og elektrolytkoncentration er nøglefaktorer, der påvirker vandelektrolyse og dets effektivitet.
For en alkalisk elektrolyse anvendes en elektrolysecelle med en vandig kaustisk opløsning på normalt 20-40% KOH eller NaOH. Elektrisk energi påføres to elektroder.
Elektrodekatalysatorer kan bruges til at accelerere reaktionshastigheden. For eksempel er Pt elektroder gunstige, da reaktionen sker lettere.
Videnskabelige forskningsartikler rapporterer 10%-25% energibesparelser ved hjælp af ultralyd-fremmet elektrolyse af vand.

Ultralydelektrolysere til brintproduktion på pilot- og industriskala

Hielscher Ultralyd’ industrielle ultralydsprocessorer er bygget til 24/7/365 drift under fuld belastning og i tunge processer.
Ved at levere robuste ultralydsystemer, specialdesignede sonotroder (sonder), der fungerer som elektrode og ultralydbølgesender på samme tid, og elektrolysereaktorer imødekommer Hielscher Ultrasonics de specifikke krav til elektrolytisk brintproduktion. Alle digitale industrielle ultralydsenheder i UIP-serien (UIP500hdT (500 watt) UIP1000hdT (1kW) UIP1500hdT (1,5 kW) UIP2000hdT (2kW), og UIP4000hdT (4kW)) er højtydende ultralydsenheder til elektrolyseapplikationer.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: