Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Producción eficiente de hidrógeno con ultrasonido

El hidrógeno es un combustible alternativo que es preferible debido a que es respetuoso con el medio ambiente y no produce ninguna emisión de dióxido de carbono. Sin embargo, la generación convencional de hidrógeno no es eficiente para una producción en masa económica. La electrólisis promovida por ultrasonidos de agua y soluciones de agua alcalina da como resultado un mayor rendimiento del hidrógeno, una mayor velocidad de reacción y una mayor 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 en la velocidad de reacción, la tasa y los rendimientos.

Generación eficiente de hidrógeno con sonicación

La electrólisis del agua y las soluciones acuosas para la generación de hidrógeno es un proceso prometedor para la producción de energía limpia. La electrólisis del agua es un proceso electroquímico en el que se aplica la electricidad para dividir el agua en dos gases, a saber, hidrógeno (H2) y el oxígeno (O2). Con el fin de cortar el H – O – El H se une por electrólisis, una corriente eléctrica corre a través del agua.
Para la reacción electrolítica, se aplica una moneda eléctrica directa (DC) para iniciar una reacción no espontánea. La electrólisis puede generar hidrógeno de alta pureza en un proceso simple, ecológico y ecológico con un cero de CO2 como O2 es el único subproducto.

Ultrasonic electrolysis intensifies hydrogen production.

2x procesadores ultrasónicos UIP2000hdT con sondas, que actúan como electrodos, es decir, cátodo y ánodo. El campo ultrasónico intensifica la síntesis electrolítica del hidrógeno a partir del agua o de soluciones acuosas.

En cuanto a la electrólisis del agua, la división del agua en oxígeno e hidrógeno se logra haciendo pasar una corriente eléctrica a través del agua.
En agua pura en el cátodo cargado negativamente, se produce una reacción de reducción en la que los electrones (e-) del cátodo son donados a cationes de hidrógeno para que se forme gas de hidrógeno. En el ánodo cargado positivamente, tiene lugar una reacción de oxidación, que genera gas de oxígeno mientras que da electrones al ánodo. Esto significa que el agua reacciona en el ánodo para formar oxígeno y iones de hidrógeno cargados positivamente (protones). De este modo se completa la siguiente ecuación de equilibrio energético:

2H+ (aq) + 2e → H2 g) (reducción en el cátodo)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e (oxidación en el ánodo)
Reacción general: 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 metales alcalinotérreos, de los que son ejemplos comunes: Hidróxido de sodio (NaOH, también conocido como “sosa cáustica") y el hidróxido de potasio (KOH, también conocido como “potasa cáustica"). Para la eletcrolisis, se utilizan principalmente concentraciones de solución cáustica del 20% al 40%.

The ultrasonic probe of the high-performance ultrasonicator UIP2000hdT functions as anode. Due to the ultrasonic field applied, the electrolysis of hydrogen is promoted.

La sonda ultrasónica de la UIP2000hdT funciona como un ánodo. Las ondas ultrasónicas aplicadas intensifican la síntesis electrolítica del hidrógeno.

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Síntesis ultrasónica de hidrógeno

Cuando se produce gas de hidrógeno en una reacción electrolítica, el hidrógeno se sintetiza justo en el potencial de descomposición. La superficie de los electrodos es el área donde se produce la formación de hidrógeno en la etapa molecular durante la reacción electroquímica. Las moléculas de hidrógeno se nuclean en la superficie de los electrodos, de modo que posteriormente las burbujas de gas de hidrógeno están presentes alrededor del cátodo. El uso de electrodos ultrasónicos mejora las impedancias de actividad y la impedancia de concentración y acelera el aumento de las burbujas de hidrógeno durante la electrólisis del agua. Varios estudios demostraron que la producción de hidrógeno por ultrasonidos aumenta el rendimiento de hidrógeno de manera eficiente.

Beneficios de la Ultrasonido en la Electrólisis de Hidrógeno

  • Mayores rendimientos de hidrógeno
  • Mejora de la eficiencia energética

como resultado de la ecografía:

  • aumento de la transferencia de masa
  • Reducción acelerada de la impedancia acumulada
  • Caída de tensión óhmica reducida
  • Reducción del potencial de reacción
  • Reducción del potencial de descomposición
  • Desgasificación del agua / solución acuosa
  • Limpieza de los catalizadores de los electrodos

Efectos de los ultrasonidos en la electrólisis

La electrólisis excitada por ultrasonidos también se conoce como sono-electrolisis. Varios factores ultrasónicos de naturaleza sonomecánica y sonoquímica influyen y promueven las reacciones electroquímicas. Estos factores que influyen en la electrólisis son el resultado de la cavitación y la vibración inducidas por los ultrasonidos e incluyen corrientes acústicas, microturbulencias, microchorros, ondas de choque y efectos sonoquímicos. La cavitación ultrasónica/acústica se produce cuando las ondas ultrasónicas de alta intensidad se acoplan en el líquido. El fenómeno de la cavitación se caracteriza por el crecimiento y el colapso de las llamadas burbujas de cavitación. La implosión de la burbuja está marcada por fuerzas superintensas que ocurren localmente. Estas fuerzas incluyen un intenso calentamiento local de hasta 5000K, altas presiones de hasta 1000 atm, y enormes velocidades de calentamiento y enfriamiento (>100k/seg.) y provocan una interacción única entre materia y energía. Por ejemplo, esas fuerzas cavitacionales impactan los enlaces de hidrógeno en el agua y facilitan la división de los grupos de agua, lo que posteriormente resulta en un menor consumo de energía para la electrólisis.

El impacto ultrasónico en los electrodos

  • Eliminar los depósitos de la superficie del electrodo
  • Activation de la superficie del electrodo
  • El transporte de electrolitos hacia y desde los electrodos

Limpieza y activación de superficies

La transferencia de masa es uno de los factores cruciales que influyen en la tasa de reacción, la velocidad y el rendimiento. Durante las reacciones electrolíticas, el producto de la reacción, por ejemplo los precipitados, se acumulan alrededor y directamente en las superficies de los electrodos y desaceleran 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 cavitación ultrasónicas eliminan las capas de pasivación de las superficies de los electrodos y las mantienen de forma permanente totalmente eficientes. Además, se sabe que la sonificación mejora las vías de reacción por efectos sonoquímicos.

Caída de tensión óhmica inferior, sobrepotencial de reacción y potencial de descomposición

El voltaje requerido para que ocurra la electrólisis se conoce como potencial de descomposición. El ultrasonido puede reducir el potencial de descomposición necesario en los procesos de electrólisis.

Célula de electrólisis ultrasónica

Para la electrólisis del agua, la entrada de energía ultrasónica, la brecha de electrodos y la concentración de electrolitos son factores clave que influyen en la electrólisis del agua y su eficiencia.
Para una electrólisis alcalina, se utiliza una célula de electrólisis con una solución cáustica acuosa de generalmente 20%-40% de KOH o NaOH. La energía eléctrica se aplica a dos electrodos.
Los catalizadores de los electrodos pueden usarse 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 de energía del 10%-25% usando la electrólisis del agua promovida por ultrasonidos.

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

Hielscher Ultrasonics’ Los procesadores industriales de ultrasonidos están construidos para funcionar 24/7/365 a plena carga y en procesos de trabajo pesado.
Mediante el suministro de robustos sistemas de ultrasonidos, sonotrodos (sondas) de diseño especial, que funcionan como electrodo y transmisor de ondas de ultrasonido al mismo tiempo, y reactores de electrólisis, Hielscher Ultrasonics satisface los requisitos específicos para la producción de hidrógeno electrolítico. Todos los ultrasonidos industriales digitales de la serie UIP (UIP500hdT (500 vatios), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1.5kW), UIP2000hdT (2kW), y UIP4000hdT (4kW)) son unidades ultrasónicas de alto rendimiento para aplicaciones de electrólisis.
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 0.05 a 1L/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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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

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

Literatura / Referencias



Información interesante

¿Qué es el Hidrógeno?

El hidrógeno es el elemento químico con el símbolo H y el número atómico 1. 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. H2 es un gas que se forma cuando dos átomos de hidrógeno se unen y se convierten en una molécula de hidrógeno. H2 también se llama hidrógeno molecular y es una molécula diatómica y homonuclear. Consiste en dos protones y dos electrones. Al tener una carga neutra, el hidrógeno molecular es estable y por lo tanto la forma más común de hidrógeno.

Cuando el hidrógeno se produce a escala industrial, la forma de producción más utilizada es el gas natural reformado con vapor. 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, el hidrocraqueo) y de los productores de fertilizantes a base de amoníaco.