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.

Fremskynd brintproduktionen ved hjælp af ultralyd og elektrokemiske processer

Ved at kombinere effektiviteten af ultralydskavitation med præcisionen i elektrokemiske reaktioner opnås højere brintudbytte og lavere energiforbrug. Hielschers avancerede sono-elektrokemiske systemer forbedrer masseoverførslen, øger katalysatoraktiviteten og optimerer elektrodeoverfladerne for at sikre en ensartet og højtydende H₂-produktion.
De vigtigste fordele:

• Forbedret masseoverførsel: Ultralydsbølger reducerer diffusionslagets tykkelse og sikrer dermed en effektiv tilførsel af reaktanter til elektroderne.
• Forbedret katalysatorstabilitet: Ultralydsbehandling forhindrer agglomerering af nanopartikler og sikrer dermed, at den høje katalytiske aktivitet opretholdes over tid.
• Energieffektivitet: Optimer energiforbruget ved at udnytte kavitationsinduceret mikroblanding og overfladerensning.

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.
Hvad angår elektrolyse af vand, opnås opdelingen af vand i ilt og brint ved at lede 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

Ultralydsaktiveret elektrolyse kaldes også sonoelektrolyse. Forskellige ultralydsfaktorer af sonomekanisk og sonokemisk karakter påvirker og fremmer elektrokemiske reaktioner.

1. Ultralydsbølger danner bobler
2. Bobler brister
3. Ekstrem varme spalter vandmolekyler

De faktorer, der påvirker elektrolysen, skyldes ultralydsinduceret kavitation og vibrationer og omfatter akustisk strømning, mikroturbulenser, mikrostråler, chokbølger samt sonokemiske effekter. Ultralyds-/akustisk kavitation opstår, når ultralydsbølger med høj intensitet overføres til en væske. Kavitationsfænomenet er kendetegnet ved dannelse og sammenbrud af såkaldte kavitationsbobler. Boblens implosion er kendetegnet ved ekstremt intense, lokalt forekommende kræfter. Disse kræfter omfatter intens lokal opvarmning på op til 5000 K, høje tryk på op til 1000 atm samt enorme opvarmnings- og afkølingshastigheder (>100 k/sek.), og de fremkalder en unik interaktion mellem stof og energi. For eksempel påvirker disse kavitationskræfter hydrogenbindingerne i vand og fremmer opdelingen af vandklynger, hvilket efterfølgende resulterer i et reduceret energiforbrug til elektrolysen.
 
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 reaktionsprodukterne, f.eks. udfældninger, både omkring og direkte på elektrodeoverfladerne og bremser den elektrolytiske omdannelse af frisk opløsning ved elektroden. Ultralydsfremskyndede elektrolytiske processer udviser en øget masseoverførsel i hovedløsningen og tæt på overfladerne. Ultralydsvibrationer og kavitation fjerner passiveringslag fra elektrodeoverfladerne og holder dem dermed permanent fuldt effektive. Desuden er det kendt, at sonificering forbedrer reaktionsvejene gennem 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 et overblik over vores sonikatorer og sonoelektroder til elektrokemisk H₂-produktion – Fra forskningslaboratorium til produktion: