Producción eficiente de hidrógeno con ultrasonidos

El hidrógeno es un combustible alternativo preferible por su respeto al medio ambiente y su nula emisión de dióxido de carbono. Sin embargo, la generación convencional de hidrógeno no es eficiente para la producción económica en masa. La electrólisis promovida por ultrasonidos de agua y soluciones de agua alcalina da lugar a mayores rendimientos de hidrógeno, velocidad de reacción y velocidad de conversión. La electrólisis asistida por ultrasonidos hace que la producción de hidrógeno sea económica y eficiente desde el punto de vista energético.
Las reacciones electroquímicas promovidas por ultrasonidos, como la electrólisis y la electrocoagulación, muestran una mejora de la velocidad de reacción, la tasa y los rendimientos.

Generación eficaz de hidrógeno mediante sonicación

La electrólisis del agua y de soluciones acuosas para generar hidrógeno es un proceso prometedor para la producción de energía limpia. La electrólisis del agua es un proceso electroquímico en el que se aplica electricidad para dividir el agua en dos gases, a saber, hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). Para escindir el H – O – H por electrólisis, se hace pasar una corriente eléctrica por el agua.
Para la reacción electrolítica, se aplica una corriente eléctrica directa para iniciar una reacción no espontánea. La electrólisis puede generar hidrógeno de gran pureza en un proceso sencillo, respetuoso con el medio ambiente y ecológico, con una emisión nula de CO2, ya que el O2 es el único subproducto.

Este vídeo ilustra la influencia positiva de la ultrasonicación directa del electrodo en la corriente eléctrica. Utiliza un homogeneizador ultrasónico Hielscher UP100H (100 vatios, 30 kHz) con electroquímica-upgrade y un electrodo/sonotrodo de titanio. La electrólisis del ácido sulfúrico diluido produce gas hidrógeno y gas oxígeno. La ultrasonicación reduce el espesor de la capa de difusión en la superficie del electrodo y mejora la transferencia de masa durante la electrólisis.

Sonoelectroquímica - Ilustración de la influencia de los ultrasonidos en la electrólisis por lotes

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La síntesis electroquímica ultrasónica es un método muy eficaz para la producción de hidrógeno. El tratamiento sono-electroquímico promueve la ruptura de los enlaces H - O - H por electrólisis, una corriente eléctrica se ejecuta a través del agua.

2x procesadores ultrasónicos del modelo UIP200hdT con sondas, que actúan como electrodos, es decir, cátodo y ánodo. La vibración ultrasónica y la cavitación favorecen la producción electroquímica de hidrógeno.

 
En cuanto a la electrólisis del agua, la división del agua en oxígeno e hidrógeno se consigue haciendo pasar una corriente eléctrica a través del agua.
En el agua pura, en el cátodo cargado negativamente, se produce una reacción de reducción en la que los electrones (e-) del cátodo se donan a los cationes de hidrógeno para que se forme gas hidrógeno. En el ánodo, cargado positivamente, se produce una reacción de oxidación que genera oxígeno gaseoso y cede electrones al ánodo. Esto significa que el agua reacciona en el ánodo para formar oxígeno e iones de hidrógeno cargados positivamente (protones). De este modo se completa la siguiente ecuación de balance energético:
 
2H+ (aq) + 2e → H2 (g) (reducción en el cátodo)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e (oxidación en el ánodo)
Reacción global: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
 
A menudo, se utiliza agua alcalina para la electrólisis con el fin de producir hidrógeno. Las sales alcalinas son hidróxidos solubles de metales alcalinos y alcalinotérreos, de los que son ejemplos comunes: Hidróxido de sodio (NaOH, también conocido como sosa cáustica) e hidróxido de potasio (KOH, también conocido como potasa cáustica). Para la electrólisis se utilizan principalmente concentraciones del 20% al 40% de solución cáustica.

Producción sonoelectroquímica de hidrógeno en un cátodo ultrasónico.

Producción sonoelectroquímica de hidrógeno en un cátodo ultrasónico.

 

Este vídeo ilustra la influencia positiva de la ultrasonicación directa del electrodo sobre la corriente eléctrica en una configuración de electrolizador H-Cell. Utiliza un homogeneizador ultrasónico Hielscher UP100H (100 vatios, 30 kHz) con actualización electroquímica y un electrodo/sonotrodo de titanio. La electrólisis del ácido sulfúrico diluido produce gas hidrógeno y gas oxígeno. La ultrasonicación reduce el espesor de la capa de difusión en la superficie del electrodo y mejora la transferencia de masa durante la electrólisis.

Sonoelectroquímica - Ilustración de la influencia de la ultrasonicación en la electrólisis de la célula H

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Síntesis ultrasónica de hidrógeno

Cuando se produce gas hidrógeno en una reacción electrolítica, el hidrógeno se sintetiza justo en el potencial de descomposición. La superficie de los electrodos es la zona en la que se produce la formación de hidrógeno a nivel molecular durante la reacción electroquímica. Las moléculas de hidrógeno se nuclean en la superficie del electrodo, por lo que posteriormente aparecen burbujas de gas hidrógeno alrededor del cátodo. El uso de electrodos ultrasónicos mejora las impedancias de actividad y de concentración y acelera el ascenso de las burbujas de hidrógeno durante la electrólisis del agua. Varios estudios han demostrado que la producción de hidrógeno por ultrasonidos aumenta el rendimiento de hidrógeno de forma eficaz.

 
Ventajas de los ultrasonidos en la electrólisis de hidrógeno

  • Mayor rendimiento del hidrógeno
  • Mejora de la eficiencia energética

como resultado de los ultrasonidos:

  • Aumento de la transferencia de masa
  • Reducción acelerada de la impedancia acumulada
  • Caída de tensión óhmica reducida
  • Reducción del sobrepotencial de reacción
  • Potencial de descomposición reducido
  • Desgasificación de agua / solución acuosa
  • Limpieza de catalizadores de electrodos

 

Efectos de los ultrasonidos en la electrólisis

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.
 
Impacto de los ultrasonidos en los electrodos

  • Eliminación de depósitos de la superficie del electrodo
  • Activación de la superficie del electrodo
  • Transporte de electrolitos hacia y desde los electrodos

 

Limpieza ultrasónica y activación de superficies de electrodos

La transferencia de masa es uno de los factores cruciales que influyen en la velocidad de reacción, la velocidad y el rendimiento. Durante las reacciones electrolíticas, el producto de la reacción, por ejemplo, los precipitados, se acumulan alrededor de las superficies de los electrodos o directamente sobre ellas y ralentizan la conversión electrolítica de la solución fresca en el electrodo. Los procesos electrolíticos promovidos por ultrasonidos muestran un aumento de la transferencia de masa en la solución a granel y cerca de las superficies. La vibración y la cavitación ultrasónicas eliminan las capas de pasivación de las superficies de los electrodos y las mantienen así permanentemente en plena eficiencia. Además, se sabe que la sonificación mejora las vías de reacción por efectos sonoquímicos.

Menor caída de tensión óhmica, sobrepotencial de reacción y potencial de descomposición

La tensión necesaria para que se produzca la electrólisis se conoce como potencial de descomposición. Los ultrasonidos pueden reducir el potencial de descomposición necesario en los procesos de electrólisis.

célula de electrólisis ultrasónica

Para la electrólisis del agua, el aporte de energía ultrasónica, la separación entre electrodos y la concentración de electrolito son factores clave que influyen en la electrólisis del agua y en su eficacia.
Para una electrólisis alcalina, se utiliza una célula de electrólisis con una solución cáustica acuosa de normalmente un 20%-40% de KOH o NaOH. La energía eléctrica se aplica a dos electrodos.
Pueden utilizarse catalizadores de electrodo para acelerar la velocidad de reacción. Por ejemplo, los electrodos de Pt son favorables, ya que la reacción se produce más fácilmente.
Los artículos de investigación científica informan de un ahorro energético del 10%-25% mediante la electrólisis del agua promovida por ultrasonidos.

Electrolizadores ultrasónicos para la producción de hidrógeno a escala piloto e industrial

Hielscher Ultrasonics’ Los procesadores ultrasónicos industriales están fabricados para funcionar 24 horas al día, 7 días a la semana, 365 días al año, a plena carga y en procesos pesados.
Con el suministro de robustos sistemas de ultrasonidos, sonotrodos (sondas) de diseño especial, que funcionan como electrodo y transmisor de ondas ultrasónicas al mismo tiempo, y reactores de electrólisis, Hielscher Ultrasonics satisface los requisitos específicos de la producción electrolítica de hidrógeno. Todos los ultrasonicadores industriales digitales de la serie UIP (UIP500hdT (500 vatios), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2 kW), y UIP4000hdT (4kW)) son unidades ultrasónicas de alto rendimiento para aplicaciones de electrólisis.

La sonda ultrasónica del ultrasonicador de alto rendimiento UIP2000hdT funciona como ánodo. Debido al campo ultrasónico aplicado, se promueve la electrólisis del hidrógeno.

Sonda ultrasónica del UIP2000hdT funciona como ánodo. Las ondas ultrasónicas aplicadas intensifican la síntesis electrolítica del hidrógeno.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
0.02 a 5L 0De 0,05 a 1 l/min UIP500hdT
0.05 a 10L 0.1 a 2L/min UIP1000hdT
0.07 a 15L 0.15 a 3L/min UIP1500hdT
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Información interesante

¿Qué es el hidrógeno?

El hidrógeno es el elemento químico de símbolo H y número atómico 1. Con un peso atómico estándar de 1,008, es el elemento más ligero de la tabla periódica. Con un peso atómico estándar de 1,008, el hidrógeno es el elemento más ligero de la tabla periódica. El hidrógeno es la sustancia química más abundante en el universo, constituyendo aproximadamente el 75% de toda la masa bariónica. El H2 es un gas que se forma cuando dos átomos de hidrógeno se unen y se convierten en una molécula de hidrógeno. El H2 también se denomina hidrógeno molecular y es una molécula diatómica homonuclear. Está formada por dos protones y dos electrones. Al tener una carga neutra, el hidrógeno molecular es estable y, por tanto, la forma más común de hidrógeno.

Cuando se produce hidrógeno a escala industrial, el reformado al vapor del gas natural es la forma de producción más utilizada. Un método alternativo es la electrólisis del agua. La mayor parte del hidrógeno se produce cerca del lugar de su último uso, por ejemplo, cerca de las instalaciones de procesamiento de combustibles fósiles (por ejemplo, hidrocraqueo) y de los productores de fertilizantes a base de amoníaco.

Literatura / Referencias

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