Effektiv brintproduktion med ultralyd

Brint er et alternativt brændstof, der er at foretrække på grund af sin miljøvenlighed og manglende udledning af kuldioxid. Konventionel brintproduktion er imidlertid ikke effektiv nok til økonomisk masseproduktion. Ultralydsfremmet elektrolyse af vand og alkaliske vandige opløsninger giver højere brintudbytter, højere reaktionshastighed og hurtigere omdannelse. Ultralydsassisteret elektrolyse gør brintproduktionen økonomisk og energieffektiv.
Ultralydsfremmede elektrokemiske reaktioner såsom elektrolyse og elektrokoagulation udviser forbedret reaktionshastighed, omdannelseshastighed og udbytte.

Accelerér brintproduktionen med kraften fra ultralyd og elektrokemi

Kombinér effektiviteten af ultralydskavitation med præcisionen i elektrokemiske reaktioner for at opnå højere brintudbytter og lavere energiforbrug. Hielschers avancerede sonoelektrokemiske systemer øger masseoverførslen, forbedrer katalysatoraktiviteten og optimerer elektrodeoverfladerne, så brintproduktionen bliver ensartet og højtydende.
Vigtigste fordele:

• Øget masseoverførsel: Ultralydsbølger reducerer diffusionslagets tykkelse og sikrer dermed effektiv tilførsel af reaktanter til elektroderne.
• Forbedret katalysatorstabilitet: Sonikering forhindrer agglomerering af nanopartikler og opretholder dermed en høj katalytisk aktivitet over tid.
• Energieffektivitet: Optimér energitilførslen ved at udnytte kavitationsinduceret mikroblanding og overfladerensning.

Effektiv brintproduktion med sonikering

Elektrolyse af vand og vandige opløsninger med henblik på brintproduktion er en lovende proces til fremstilling af ren energi. Elektrolyse af vand er en elektrokemisk proces, hvor elektricitet anvendes til at spalte vand i to gasser, nemlig brint (H₂) og ilt (O₂). For at spalte H – O – H-bindingerne ved elektrolyse ledes en elektrisk strøm gennem vandet.
Til den elektrolytiske reaktion anvendes jævnstrøm for at igangsætte en reaktion, der ellers ikke ville ske spontant. Elektrolyse kan producere brint med høj renhed i en enkel, miljøvenlig, grøn proces uden CO₂-udledning, da O₂ er det eneste biprodukt.
Ved elektrolyse af vand opnås spaltningen af vand i ilt og brint ved at lede en elektrisk strøm gennem vandet.
I rent vand finder der ved den negativt ladede katode en reduktionsreaktion sted, hvor elektroner (e−) fra katoden afgives til brintkationer, så der dannes brintgas. Ved den positivt ladede anode finder der en oxidationsreaktion sted, som danner iltgas, samtidig med at elektroner afgives til anoden. Det betyder, at vand reagerer ved anoden og danner ilt og positivt ladede brintioner (protoner). Dermed fuldendes følgende energibalanceligning:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (reduktion ved katoden)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oxidation ved anoden)
Samlet reaktion: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
Der anvendes ofte alkalisk vand til elektrolysen for at producere brint. Alkalisalte er opløselige hydroxider af alkalimetaller og jordalkalimetaller, hvor almindelige eksempler er: natriumhydroxid (NaOH, også kendt som kaustisk soda) og kaliumhydroxid (KOH, også kendt som kaustisk potaske). Til elektrolyse anvendes hovedsageligt ludopløsninger med koncentrationer på 20% til 40%.

Ultralydssyntese af brint

Når brintgas produceres i en elektrolytisk reaktion, syntetiseres brinten netop ved dekomponeringspotentialet. Elektrodernes overflade er det område, hvor brintdannelsen sker på molekylært niveau under den elektrokemiske reaktion. Brintmolekylerne danner kim på elektrodeoverfladen, så der efterfølgende findes brintgasbobler omkring katoden. Brug af ultralydselektroder forbedrer aktivitetsimpedanserne og koncentrationsimpedansen og får brintboblerne til at stige hurtigere under vandelektrolysen. Flere studier har vist, at brintproduktion med ultralyd effektivt øger brintudbyttet.

Ultralydens virkninger på elektrolyse

Elektrolyse, der exciteres med ultralyd, er også kendt som sonoelektrolyse. Forskellige ultralydsfaktorer af sonomekanisk og sonokemisk karakter påvirker og fremmer elektrokemiske reaktioner.

1. Ultralydsbølger skaber bobler
2. Bobler kollapser
3. Ekstrem varme spalter vandmolekyler

De faktorer, der påvirker elektrolysen, skyldes ultralydsinduceret kavitation og vibration og omfatter akustisk strømning, mikroturbulens, mikrostråler, chokbølger samt sonokemiske effekter. Ultralydskavitation / akustisk kavitation opstår, når ultralydsbølger med høj intensitet kobles ind i en væske. Kavitationsfænomenet er kendetegnet ved, at såkaldte kavitationsbobler vokser og kollapser. Boblernes implosion er kendetegnet ved superintense kræfter, der opstår lokalt. Disse kræfter omfatter intens lokal opvarmning til op til 5000K, høje tryk på op til 1000 atm og enorme opvarmnings- og afkølingshastigheder (>100k/sec), og de fremkalder en unik vekselvirkning mellem stof og energi. Disse kavitationskræfter påvirker eksempelvis hydrogenbindingerne i vand og letter spaltningen af vandklynger, hvilket efterfølgende resulterer i et reduceret energiforbrug til elektrolysen.
 
Ultralydens påvirkning af elektroderne

• Fjernelse af aflejringer fra elektrodeoverfladen
• 
Aktivering af elektrodeoverfladen
• Transport af elektrolytter hen til og væk fra elektroderne

Ultralydsrensning og aktivering af elektrodeoverflader

Masseoverførsel er en af de afgørende faktorer, der påvirker reaktionshastighed, omdannelseshastighed og udbytte. Under elektrolytiske reaktioner ophobes reaktionsproduktet, f.eks. udfældninger, omkring og direkte på elektrodeoverfladerne og bremser den elektrolytiske omdannelse af frisk opløsning ved elektroden. Ultralydsfremmede elektrolytiske processer udviser øget masseoverførsel i opløsningens bulkfase og nær overfladerne. Ultralydsvibrationer og kavitation fjerner passiveringslag fra elektrodeoverfladerne og holder dem dermed permanent fuldt effektive. Desuden er sonikering kendt for at fremme reaktionsveje gennem sonokemiske effekter.

Lavere ohmsk spændingsfald, reaktionsoverpotentiale og dekomponeringspotentiale

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

Ultralydselektrolysecelle

Ved vandelektrolyse er tilførslen af ultralydsenergi, afstanden mellem elektroderne og elektrolytkoncentrationen afgørende faktorer, der påvirker vandelektrolysen og dens effektivitet.
Til alkalisk elektrolyse anvendes en elektrolysecelle med en vandig ludopløsning, som normalt indeholder 20%–40% KOH eller NaOH. Elektrisk energi tilføres to elektroder.
Elektrodekatalysatorer kan anvendes til at øge reaktionshastigheden. Eksempelvis er Pt-elektroder fordelagtige, da reaktionen lettere finder sted.
Videnskabelige forskningsartikler rapporterer energibesparelser på 10%–25% ved anvendelse af ultralydsfremmet elektrolyse af vand.

Ultralydselektrolysatorer til brintproduktion i pilot- og industriskala

De industrielle ultralydsprocessorer fra Hielscher Ultrasonics er bygget til drift 24/7/365 under fuld belastning og i krævende processer.
Ved at levere robuste ultralydssystemer, specialdesignede sonotroder (sonder), der samtidig fungerer som elektrode og sender af ultralydsbølger, samt elektrolysereaktorer opfylder Hielscher Ultrasonics de specifikke krav til elektrolytisk brintproduktion. Alle digitale industrielle ultralydsapparater i serien UIP (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) og UIP4000hdT (4kW)) er højtydende ultralydsenheder til elektrolyseanvendelser.

Tabellen nedenfor giver dig et overblik over vores sonikatorer og sonoelektroder til elektrokemisk H₂-produktion – fra forskningslaboratorium til produktion: