Αποτελεσματική παραγωγή υδρογόνου με υπερήχους
Το υδρογόνο είναι ένα εναλλακτικό καύσιμο που είναι προτιμότερο λόγω της φιλικότητας προς το περιβάλλον και των μηδενικών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, η συμβατική παραγωγή υδρογόνου δεν είναι αποδοτική για οικονομική μαζική παραγωγή. Η υπερηχητικά προωθημένη ηλεκτρόλυση νερού και αλκαλικών διαλυμάτων νερού έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερες αποδόσεις υδρογόνου, ρυθμό αντίδρασης και ταχύτητα μετατροπής. Η υπερηχητικά υποβοηθούμενη ηλεκτρόλυση καθιστά την παραγωγή υδρογόνου οικονομική και ενεργειακά αποδοτική.
Υπερήχων προωθούνται ηλεκτροχημικές αντιδράσεις όπως ηλεκτρόλυση και ηλεκτροσυσσωμάτωση δείχνουν βελτιωμένη ταχύτητα αντίδρασης, ρυθμό και αποδόσεις.
Αποτελεσματική παραγωγή υδρογόνου με υπερήχους
Η ηλεκτρόλυση νερού και υδατικών διαλυμάτων με σκοπό την παραγωγή υδρογόνου είναι μια πολλά υποσχόμενη διαδικασία για την παραγωγή καθαρής ενέργειας. Η ηλεκτρόλυση του νερού είναι μια ηλεκτροχημική διαδικασία όπου η ηλεκτρική ενέργεια εφαρμόζεται για να χωρίσει το νερό σε δύο αέρια, δηλαδή υδρογόνο (H2) και οξυγόνο (O2). Για να διασπάσει το H – O – H συνδέεται με ηλεκτρόλυση, ένα ηλεκτρικό ρεύμα τρέχει μέσα από το νερό.
Για την ηλεκτρολυτική αντίδραση, ένα άμεσο ηλεκτρικό νόμισμα εφαρμόζεται για να ξεκινήσει μια άλλη σοφή μη αυθόρμητη αντίδραση. Η ηλεκτρόλυση μπορεί να παράγει υδρογόνο υψηλής καθαρότητας σε μια απλή, φιλική προς το περιβάλλον, πράσινη διαδικασία με μηδενικές εκπομπές CO2, καθώς το O2 είναι το μόνο υποπροϊόν.
2x επεξεργαστές υπερήχων του μοντέλου UIP2000hdT με ανιχνευτές, που λειτουργούν ως ηλεκτρόδια, δηλαδή κάθοδος και άνοδος. Η δόνηση υπερήχων και η σπηλαίωση προωθούν την ηλεκτροχημική παραγωγή υδρογόνου.
Όσον αφορά την ηλεκτρόλυση του νερού, η διάσπαση του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο επιτυγχάνεται με τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από το νερό.
Σε καθαρό νερό στην αρνητικά φορτισμένη κάθοδο, λαμβάνει χώρα μια αντίδραση αναγωγής όπου ηλεκτρόνια (e−) από την κάθοδο δωρίζονται σε κατιόντα υδρογόνου έτσι ώστε να σχηματίζεται αέριο υδρογόνο. Στην θετικά φορτισμένη άνοδο, λαμβάνει χώρα μια αντίδραση οξείδωσης, η οποία παράγει αέριο οξυγόνο ενώ δίνει ηλεκτρόνια στην άνοδο. Αυτό σημαίνει ότι το νερό αντιδρά στην άνοδο για να σχηματίσει οξυγόνο και θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια). Με αυτόν τον τρόπο ολοκληρώνεται η ακόλουθη εξίσωση ενεργειακού ισοζυγίου:
2Ω+ ιζ) + 2ε– → Η2 ζ) (μείωση στην κάθοδο)
2Ω2O (ιβ) → O2 (g) + 4H+ μζ) + 4ε– (οξείδωση στην άνοδο)
Συνολική αντίδραση: 2H2O (ιβ) → 2H2 ζ) + Ο2 ζ)
Συχνά, αλκαλικό νερό χρησιμοποιείται για την ηλεκτρόλυση προκειμένου να παραχθεί υδρογόνο. Τα αλκαλικά άλατα είναι διαλυτά υδροξείδια αλκαλικών μετάλλων και μετάλλων αλκαλικών γαιών, εκ των οποίων κοινά παραδείγματα είναι: υδροξείδιο του νατρίου (NaOH, επίσης γνωστό ως καυστική σόδα) και υδροξείδιο του καλίου (KOH, επίσης γνωστό ως καυστική ποτάσα). Για την eletcrolysis, χρησιμοποιούνται κυρίως συγκεντρώσεις καυστικού διαλύματος 20% έως 40%.
Sono-ηλεκτροχημική παραγωγή υδρογόνου σε κάθοδο υπερήχων.
Υπερήχων σύνθεση του υδρογόνου
Όταν παράγεται αέριο υδρογόνο σε ηλεκτρολυτική αντίδραση, το υδρογόνο συντίθεται ακριβώς στο δυναμικό αποσύνθεσης. Η επιφάνεια των ηλεκτροδίων είναι η περιοχή, όπου ο σχηματισμός υδρογόνου συμβαίνει σε μοριακό στάδιο κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Τα μόρια υδρογόνου πυρηνοποιούνται στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, έτσι ώστε στη συνέχεια φυσαλίδες αερίου υδρογόνου να υπάρχουν γύρω από την κάθοδο. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια υπερήχων βελτιώνει τις σύνθετες αντιστάσεις δραστηριότητας και τη σύνθετη αντίσταση συγκέντρωσης και επιταχύνει την άνοδο των φυσαλίδων υδρογόνου κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης νερού. Αρκετές μελέτες έδειξαν ότι η παραγωγή υδρογόνου υπερήχων αυξάνει αποτελεσματικά τις αποδόσεις υδρογόνου.
Οφέλη των υπερήχων στην ηλεκτρόλυση υδρογόνου
- Υψηλότερες αποδόσεις υδρογόνου
- Βελτιωμένη ενεργειακή απόδοση
καθώς το υπερηχογράφημα έχει ως αποτέλεσμα:
- Αυξημένη μεταφορά μάζας
- Επιταχυνόμενη μείωση της συσσωρευμένης σύνθετης αντίστασης
- Μειωμένη ωμική πτώση τάσης
- Μειωμένη υπερδυναμική αντίδραση
- Μειωμένο δυναμικό αποσύνθεσης
- Απαέρωση νερού / υδατικού διαλύματος
- Καθαρισμός καταλυτών ηλεκτροδίων
Υπερήχων επιδράσεις στην ηλεκτρόλυση
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.
Υπερηχητική επίδραση στα ηλεκτρόδια
- Αφαίρεση εναποθέσεων από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου
- Ενεργοποίηση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου
- Μεταφορά ηλεκτρολυτών προς και μακριά από ηλεκτρόδια
Καθαρισμός με υπερήχους και ενεργοποίηση επιφανειών ηλεκτροδίων
Η μεταφορά μάζας είναι ένας από τους κρίσιμους παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό αντίδρασης, την ταχύτητα και την απόδοση. Κατά τη διάρκεια ηλεκτρολυτικών αντιδράσεων, το προϊόν της αντίδρασης, π.χ. καθιζάνει, συσσωρεύεται γύρω καθώς και απευθείας στις επιφάνειες των ηλεκτροδίων και επιβραδύνει την ηλεκτρολυτική μετατροπή του φρέσκου διαλύματος στο ηλεκτρόδιο. Υπερήχων προωθούνται ηλεκτρολυτικές διεργασίες δείχνουν αυξημένη μεταφορά μάζας στο χύμα διάλυμα και κοντά στις επιφάνειες. Η υπερηχητική δόνηση και η σπηλαίωση αφαιρούν τα στρώματα παθητικοποίησης από τις επιφάνειες των ηλεκτροδίων και τα διατηρούν έτσι μόνιμα πλήρως αποτελεσματικά. Επιπλέον, η ηχοποίηση είναι γνωστό ότι ενισχύει τις οδούς αντίδρασης με sonochemical επιδράσεις.
Χαμηλότερη ωμική πτώση τάσης, υπερδυναμικό αντίδρασης και δυναμικό αποσύνθεσης
Η τάση που απαιτείται για την ηλεκτρόλυση είναι γνωστή ως δυναμικό αποσύνθεσης. Ο υπέρηχος μπορεί να μειώσει το απαραίτητο δυναμικό αποσύνθεσης στις διαδικασίες ηλεκτρόλυσης.
Κύτταρο ηλεκτρόλυσης υπερήχων
Για την ηλεκτρόλυση νερού, η είσοδος ενέργειας υπερήχων, το κενό ηλεκτροδίων και η συγκέντρωση ηλεκτρολυτών είναι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ηλεκτρόλυση νερού και την αποτελεσματικότητά της.
Για μια αλκαλική ηλεκτρόλυση, χρησιμοποιείται ένα κύτταρο ηλεκτρόλυσης με ένα υδατικό καυστικό διάλυμα συνήθως 20%-40% KOH ή NaOH. Η ηλεκτρική ενέργεια εφαρμόζεται σε δύο ηλεκτρόδια.
Οι καταλύτες ηλεκτροδίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επιτάχυνση της ταχύτητας αντίδρασης. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόδια Pt είναι ευνοϊκά καθώς η αντίδραση συμβαίνει πιο εύκολα.
Επιστημονικά ερευνητικά άρθρα αναφέρουν 10% -25% εξοικονόμηση ενέργειας χρησιμοποιώντας την υπερηχητικά προωθούμενη ηλεκτρόλυση του νερού.
Υπερήχων ηλεκτρολύτες για παραγωγή υδρογόνου σε πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα
Hielscher Ultrasonics’ Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων κατασκευάζονται για τη λειτουργία 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα/365 υπό πλήρες φορτίο και σε διαδικασίες βαρέως τύπου.
Με την παροχή ισχυρών συστημάτων υπερήχων, ειδικά σχεδιασμένων sonotrodes (ανιχνευτές), τα οποία λειτουργούν ταυτόχρονα ως πομπός ηλεκτροδίων και κυμάτων υπερήχων και αντιδραστήρες ηλεκτρόλυσης, Hielscher Υπέρηχοι καλύπτει τις ειδικές απαιτήσεις για την παραγωγή ηλεκτρολυτικού υδρογόνου. Όλοι οι ψηφιακοί βιομηχανικοί υπερήχων της σειράς UIP (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), και UIP4000hdT (4kW)) είναι μονάδες υπερήχων υψηλής απόδοσης για εφαρμογές ηλεκτρόλυσης.
Υπερήχων καθετήρα του UIP2000hdT λειτουργεί ως άνοδος. Τα εφαρμοζόμενα υπερηχητικά κύματα εντείνουν την ηλεκτρολυτική σύνθεση υδρογόνου.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Ροή | Προτεινόμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 0.02 έως 5L | 0.05 έως 1L/min | UIP500hdT |
| 0.05 έως 10L | 0.1 έως 2L/min | UIP1000hdT |
| 0.07 έως 15L | 0.15 έως 3L/min | UIP1500hdT |
| 0.1 έως 20L | 0.2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L / λεπτό | UIP4000hdT |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Hielscher Υπέρηχοι κατασκευάζει υψηλής απόδοσης υπερήχων ομογενοποιητές για την ανάμειξη εφαρμογών, διασπορά, γαλακτωματοποίηση και εκχύλιση σε εργαστήριο, πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Γεγονότα που αξίζει να γνωρίζετε
Τι είναι το υδρογόνο;
Το υδρογόνο είναι το χημικό στοιχείο με το σύμβολο H και τον ατομικό αριθμό 1. Με τυπικό ατομικό βάρος 1.008, το υδρογόνο είναι το ελαφρύτερο στοιχείο στον περιοδικό πίνακα. Το υδρογόνο είναι η πιο άφθονη χημική ουσία στο σύμπαν, αποτελώντας περίπου το 75% της συνολικής βαρυονικής μάζας. Το H2 είναι ένα αέριο που σχηματίζεται όταν δύο άτομα υδρογόνου συνδέονται μεταξύ τους και γίνονται ένα μόριο υδρογόνου. Το H2 ονομάζεται επίσης μοριακό υδρογόνο και είναι ένα διατομικό, ομοπυρηνικό μόριο. Αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο ηλεκτρόνια. Έχοντας ουδέτερο φορτίο, το μοριακό υδρογόνο είναι σταθερό και ως εκ τούτου η πιο κοινή μορφή υδρογόνου.
Όταν το υδρογόνο παράγεται σε βιομηχανική κλίμακα, το φυσικό αέριο αναμόρφωσης με ατμό είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μορφή παραγωγής. Μια εναλλακτική μέθοδος είναι η ηλεκτρόλυση του νερού. Το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου παράγεται κοντά στον τόπο της τελευταίας χρήσης του, π.χ. κοντά σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας ορυκτών καυσίμων (π.χ. υδρογονοπυρόλυση) και παραγωγούς λιπασμάτων με βάση την αμμωνία.
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- 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.