Effektiv brintproduktion med ultralyd

Brint er et alternativt brændstof, der er at foretrække på grund af dets miljøvenlighed og nul kuldioxidemission. Konventionel brintproduktion er dog ikke effektiv til økonomisk masseproduktion. Den ultralydsfremmede elektrolyse af vand og alkaliske vandopløsninger resulterer i højere brintudbytter, reaktionshastighed og konverteringshastighed. Ultralydassisteret elektrolyse gør brintproduktionen økonomisk og energieffektiv.
Ultralydsfremmede elektrokemiske reaktioner såsom elektrolyse og elektrokoagulation viser forbedret reaktionshastighed, hastighed og udbytte.

Effektiv brintgenerering 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 spalte vand i to gasser, nemlig brint (H2) og ilt (O2). For at spalte H – O – H binder ved elektrolyse, en elektrisk strøm føres gennem vandet.
Til den elektrolytiske reaktion anvendes en direkte elektrisk valuta til at starte en anden ikke-spontan reaktion. Elektrolyse kan generere brint af høj renhed i en enkel, miljøvenlig, grøn proces med nul CO2-emission, da O2 er det eneste biprodukt.

 
Med hensyn til elektrolyse af vand opnås opdeling af vand i ilt og brint ved at føre 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 brintgas. Ved den positivt ladede anode finder en oxidationsreaktion sted, som genererer iltgas, samtidig med at den giver elektroner til anoden. Det betyder, at vand reagerer ved anoden for at danne ilt og positivt ladede brintioner (protoner). Derved fuldføres følgende ligning af energibalancen:
 
2 timer⁺ (aq) + 2e^– → H₂ g) (reduktion ved katoden)
2 timer₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oxidation ved anoden)
Samlet reaktion: 2H₂O (l) → 2H₂ g) + O₂ g)
 
Ofte bruges 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.

 

 

Ultralydsyntese af brint

Når brintgas produceres i en elektrolytisk reaktion, syntetiseres brinten lige ved nedbrydningspotentialet. Overfladen af elektroder er det område, hvor hydrogendannelse sker på molekylært trin under den elektrokemiske reaktion. Brintmolekylerne kerne ved elektrodeoverfladen, så der efterfølgende er brintgasbobler til stede omkring katoden. Brug af ultralydselektroder forbedrer aktivitetsimpedanser og koncentrationsimpedans og fremskynder stigningen af brintbobler under vandelektrolyse. Flere undersøgelser viste, at ultralydsbrintproduktion øger brintudbyttet effektivt.

 

Ultralydseffekter 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.
 
Ultralydspåvirkning 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. udfældes, omkring såvel som direkte på elektrodeoverfladerne og decelererer den elektrolytiske omdannelse af frisk opløsning til elektroden. Ultralydsfremmede elektrolytiske processer viser en øget masseoverførsel i bulkopløsningen og nær overfladerne. Ultralydsvibrationer og kavitation fjerner passiveringslag fra elektrodeoverfladerne og holder dem derved permanent fuldt effektive. Desuden er sonificering kendt for at forbedre reaktionsveje ved sonokemiske effekter.

Lavere ohmsk spændingsfald, reaktionsoverpotentiale og nedbrydningspotentiale

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

ultralyd elektrolyse celle

Til vandelektrolyse er ultralydsenergiinput, elektrodegab og elektrolytkoncentration nøglefaktorer, der påvirker vandelektrolysen og dens effektivitet.
Til 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 reaktion lettere sker.
Videnskabelige forskningsartikler rapporterer 10%-25% energibesparelse ved hjælp af ultralydsfremmet elektrolyse af vand.

Ultralydselektrolysatorer til brintproduktion i pilot- og industriel skala

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

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: