Effektiv brintproduktion med ultralyd
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.

2x ultralydsprocessorer af modellen UIP200hdT med sonder, der fungerer som elektroder, dvs. katode og anode. Ultralydvibrationen og kavitationen fremmer elektrokemisk brintproduktion.
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.
Fordele ved ultralyd på hydrogenelektrolyse
- Højere brintudbytte
- Forbedret energieffektivitet
som ultralyd resulterer i:
- øget masseoverføring
- Accelereret reduktion af akkumuleret impedans
- Reduceret ohmic spændingsfald
- Reduceret reaktion overpotential
- Reduceret nedbrydningspotentiale
- Afgasning af vand / vandig opløsning
- Rengøring af elektrodekatalysere
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.

Ultralydsonde af UIP2000hdT fungerer som anode. De anvendte ultralydbølger forstærker brintens elektrolytiske syntese.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater:
Batch Volumen | Strømningshastighed | Anbefalede enheder |
---|---|---|
0.02 til 5L | 0.05 til 1L/min | UIP500hdT |
00,05 til 10L | 0.1 til 2L/min. | UIP1000hdT |
00,07 til 15L | 0.15 til 3L/min | UIP1500hdT |
0.1 til 20L | 0.2 til 4L / min | UIP2000hdT |
10 til 100 l | 2 til 10 l / min | UIP4000hdT |
Kontakt os! / Spørg Os!
Fakta Værd at vide
Hvad er Hydrogen?
Hydrogen er det kemiske grundstof med symbolet H og atomnummer 1. Med en standard atomvægt på 1,008 er brint det letteste element i det periodiske system. Brint er det mest udbredte kemiske stof i universet, der udgør omkring 75% af alle baryoniske masse. H2 er en gas, der dannes, når to brintatomer binder sig sammen og bliver et brintmolekyle. H2 kaldes også molekylær brint og er et diatomisk, homonuclear molekyle. Den består af to protoner og to elektroner. Molekylær brint har en neutral ladning og er dermed den mest almindelige form for brint.
Når brint produceres i industriel skala, er dampreformerende naturgas den mest anvendte produktionsform. En alternativ metode er elektrolyse af vand. Det meste brint produceres i nærheden af sidstnævnte anvendelsessted, f.eks. nær anlæg til forarbejdning af fossile brændstoffer (f.eks. hydrokrakning) og ammoniakbaserede gødningsproducenter.
Litteratur / Referencer
- 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.