Το υδρογόνο είναι ένα εναλλακτικό καύσιμο που είναι προτιμότερο λόγω της φιλικότητάς του προς το περιβάλλον και των μηδενικών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, η συμβατική παραγωγή υδρογόνου δεν είναι αποτελεσματική για την οικονομική μαζική παραγωγή. Η υπερηχητικά προωθημένη ηλεκτρόλυση του νερού και αλκαλικών διαλυμάτων νερού οδηγεί στις υψηλότερες αποδόσεις υδρογόνου, το ποσοστό αντίδρασης και την ταχύτητα μετατροπής. Υπερήχων υποβοηθούμενη ηλεκτρόλυση κάνει την παραγωγή υδρογόνου οικονομική και ενεργειακά αποδοτική.
Υπερήχων προωθείται ηλεκτροχημικές αντιδράσεις, όπως η ηλεκτρόλυση και η ηλεκτροπήξη δείχνουν βελτιωμένη ταχύτητα αντίδρασης, το ποσοστό και τις αποδόσεις.

Αποδοτική παραγωγή υδρογόνου με υπερήχηση

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 – ο – H ομόλογα 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.

 
Όσον αφορά την ηλεκτρόλυση του νερού, ο διαχωρισμός του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο επιτυγχάνεται με τη διέλευση ενός 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:
 
2H⁺ (aq) + 2ε^– → H₂ ζ) (μείωση στην κάθοδο)
2H₂O ιβ) → O2 ζ) + 4H⁺ (aq) + 4ε^– (οξείδωση στην άνοδο)
Συνολική αντίδραση: 2H₂O ιβ) → 2H₂ ζ) + O₂ ζ) τα 100 εκατ.
 
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%.

 

 

Υπερηχητική σύνθεση υδρογόνου

Όταν το αέριο υδρογόνου παράγεται σε μια ηλεκτρολυτική αντίδραση, το υδρογόνο συντίθεται δεξιά στο δυναμικό αποσύνθεσης. Η επιφάνεια των ηλεκτροδίων είναι η περιοχή, όπου ο σχηματισμός υδρογόνου εμφανίζεται στο μοριακό στάδιο κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Τα μόρια υδρογόνου πυρήνια στην επιφάνεια ηλεκτροδίων, έτσι ώστε στη συνέχεια φυσαλίδες αερίου υδρογόνου είναι παρόντες γύρω από την κάθοδο. Η χρήση ηλεκτροδίων υπερήχων βελτιώνει τις σύνθετη αντίσταση δραστηριότητας και τη σύνθετη αντίσταση συγκέντρωσης και επιταχύνει την αύξηση των φυσαλίδων υδρογόνου κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης νερού. Αρκετές μελέτες έδειξαν ότι η παραγωγή υδρογόνου υπερήχων αυξάνει τις αποδόσεις υδρογόνου αποτελεσματικά.

 

Υπερηχητικές 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 μαζική μεταφορά είναι ένας από τους κρίσιμους παράγοντες που επηρεάζουν το ρυθμό αντίδρασης, την ταχύτητα και την απόδοση. Κατά τη διάρκεια των ηλεκτρολυτικών αντιδράσεων, το προϊόν αντίδρασης, π.χ. κατακρημνίζει, συσσωρεύεται γύρω καθώς και άμεσα στις επιφάνειες των ηλεκτροδίων και επιβραδύνεται η ηλεκτρολυτική μετατροπή του φρέσκου διαλύματος στο ηλεκτρόδιο. Υπερήχων προωθείται ηλεκτρολυτικές διεργασίες δείχνουν αυξημένη μεταφορά μάζας στο διάλυμα χύμα και κοντά στις επιφάνειες. Υπερήχων δόνησης και σπηλαίωση αφαιρεί τα στρώματα παθητικότητας από τις επιφάνειες των ηλεκτροδίων και να τους κρατήσει με αυτόν τον τρόπο μόνιμα πλήρως αποτελεσματική. Επιπλέον, η ηχοποίηση είναι γνωστό ότι ενισχύει τις οδούς αντίδρασης από sonochemical επιδράσεις.

Χαμηλότερη ωμική πτώση τάσης, υπερευθντική αντίδραση, και δυναμικό αποσύνθεσης

Η τάση που απαιτείται για την ηλεκτρόλυση να συμβεί είναι γνωστή ως δυναμικό αποσύνθεσης. Ο υπέρηχος μπορεί να μειώσει το απαραίτητο δυναμικό αποσύνθεσης στις διαδικασίες ηλεκτρόλυσης.

Υπερηχητικό κύτταρο ηλεκτρόλυσης

Για την ηλεκτρόλυση νερού, η υπερηχητική ενεργειακή εισαγωγή, το χάσμα ηλεκτροδίων, και η συγκέντρωση ηλεκτρολυτών είναι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ηλεκτρόλυση νερού και την αποδοτικότητά της.
Για αλκαλική ηλεκτρόλυση, χρησιμοποιείται ένα κύτταρο ηλεκτρόλυσης με υδατικό καυστικό διάλυμα συνήθως 20%-40% KOH ή NaOH. Η ηλεκτρική ενέργεια εφαρμόζεται σε δύο ηλεκτρόδια.
Οι καταλύτες ηλεκτροδίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να επιταχύνουν την ταχύτητα αντίδρασης. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόδια Pt είναι ευνοϊκά καθώς η αντίδραση εμφανίζεται πιο εύκολα.
Τα άρθρα επιστημονικής έρευνας αναφέρουν 10%-25% εξοικονόμηση ενέργειας χρησιμοποιώντας την υπερηχητικά προωθημένη ηλεκτρόλυση του νερού.

Υπερήχων Ηλεκτρολυστάρη για την παραγωγή υδρογόνου σε πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα

Hielscher Υπέρηχοι’ οι βιομηχανικοί υπερηχητικοί επεξεργαστές χτίζονται για τη λειτουργία 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα/365 κάτω από το πλήρες φορτίο και στις βαρέων καθηκόντων διαδικασίες.
Με την παροχή ισχυρών υπερηχητικών συστημάτων, ειδικά σχεδιασμένα sonotrodes (ανιχνευτές), τα οποία λειτουργούν ως πομπός ηλεκτροδίων και κυμάτων υπερήχων ταυτόχρονα, και αντιδραστήρες ηλεκτρόλυσης, Hielscher Ultrasonics εξυπηρετεί τις ειδικές απαιτήσεις για την παραγωγή ηλεκτρολυτικού υδρογόνου. Όλα τα ψηφιακά βιομηχανικά ultrasonicators της σειράς UIP (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), και UIP4000hdT (4kW)) είναι υψηλής απόδοσης μονάδες υπερήχων για εφαρμογές ηλεκτρόλυσης.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη για την κατά προσέγγιση ικανότητα επεξεργασίας των υπερήχων μας: