Tõhus vesiniku tootmine ultraheliga
Vesinik on alternatiivne kütus, mis on eelistatav oma keskkonnasõbralikkuse ja süsinikdioksiidi heite vaba heite tõttu. Tavapärane vesinikutootmine ei ole aga ökonoomse massitootmise jaoks tõhus. Vee ja leeliseliste veelahuste ultraheliga edendatud elektrolüüs annab tulemuseks suurema vesiniku saagise, reaktsioonikiiruse ja teisenduskiiruse. Ultraheli abil elektrilüüs muudab vesiniku tootmise ökonoomseks ja energiatõhusaks.
Ultraheli edutatud elektrokeemilised reaktsioonid, nagu elektrolüüs ja elektrokoagulatsioon, näitavad paremat reaktsioonikiirust, kiirust ja saagist.
Tõhus vesiniku tootmine ultrahelitöötlus
Vee ja vesilahuste elektrolüüs vesiniku tootmise eesmärgil on paljulubav protsess puhta energia tootmiseks. Vee elektrolüüs on elektrokeemiline protsess, mille puhul elektrit kasutatakse vee jagamiseks kaheks gaasiks, nimelt vesinikuks (H2) ja hapnik (O2). Selleks, et hoida – O – H-sidemed elektrolüüsi teel, elektrivool juhitakse läbi vee.
Elektrolüütilise reaktsiooni puhul kasutatakse teise targa mittespontaanse reaktsiooni algatamiseks otsest elektrivaluutat (DC). Elektrolüüs võib tekitada kõrge puhtusastmega vesinikku lihtsas, keskkonnasõbralikus, rohelises protsessis, mille CO2 heitkogus kui O2 on ainus kõrvalsaadus.
2x ultraheli protsessorid UIP2000hdT sondid, mis toimivad elektroodid, st katood ja anoodi. Ultraheli väli intensiivistab vesiniku elektrolüütilist sünteesi veest või vesilahustest.
Mis puutub vee elektrolüüsi, siis vee jagamine hapnikuks ja vesinikuks saavutatakse elektrivoolu läbiv läbiv vool läbi vee.
Puhtas vees negatiivselt laetud katoodis tekib redutseerimisreaktsioon, kus katoodist saadud elektronid (e−) annetatakse vesinikukatioonidele, nii et vesinikgaasi vormid. Positiivselaenguga anoodil tekib oksüdatsioonireaktsioon, mis tekitab hapnikku, andes samal ajal anoodile elektrone. See tähendab, et vesi reageerib anoodil, moodustades hapnikku ja positiivselt laetud vesinikioonid (prootonid). Seega täidetakse järgmine energiabilansi võrrand:
2H – h+ (aq) + 2e– → H2 g vähendamine katoodis
2H – h2O(l) → O2 g + 4H+ (aq) + 4e– (oksüdatsioon anoodis)
Üldine reaktsioon: 2H2O l → 2H2 g + O2 g) kui see on lõike 1 punktis g osutatud
Sageli kasutatakse elektrolüüsiks leeliselist vett, et toota vesinikku. Leelissoolad on leelismetallide ja leelismuldmetallide lahustuvad hüdroksiidid, mille levinumad näited on: naatriumhüdroksiid (NaOH, tuntud ka kui “naatriumhüdroksiid (KOH, tuntud ka kui “naatrium-kaaliumkloriid"). Eletkrolüüsi puhul kasutatakse peamiselt 20...
Ultraheli sondi UIP2000hdT toimib anoodina. Rakendatud ultraheli lained intensiivistavad vesiniku elektrolüütilist sünteesi.
Vesiniku ultraheli süntees
Kui vesinikgaasi toodetakse elektrolüütilise reaktsiooniga, sünteesitakse vesinik lagunemispotentsiaali juures. Elektroodide pind on ala, kus elektrokeemilise reaktsiooni ajal molekulaarsel etapil toimub vesiniku moodustumine. Vesinikmolekulid tuumad elektroodi pinnal, nii et hiljem vesinikugaasi mullid esinevad katoodi ümber. Ultraheli elektroodide kasutamine parandab aktiivsustakistusi ja kontsentratsioonitakistusi ning kiirendab vesinikumullide tõusu vee elektrolüüsi ajal. Mitmed uuringud näitasid, et ultraheli vesiniku tootmine suurendab vesiniku saagikust tõhusalt.
- Kõrgem vesiniku saagis
- Parem energiatõhusus
ultraheli tulemuseks on:
- suurenenud massiülekanne
- Akumuleeritud impedantsi kiirendatud vähendamine
- Vähendatud ohmiline pinge langus
- Vähenenud reaktsioon ülepotentsiaali
- Vähenenud lagunemispotentsiaal
- Vee / vesilahuse degaseerimine
- Elektroodikatalüsaatorite puhastamine
Ultraheli mõju elektrolüüsile
Ultraheli erutunud elektrolüüs on tuntud ka kui sono-elektrolüüs. Erinevad ultraheli tegurid sonomehaaniliseja sonochemical laadi mõju ja edendada elektrokeemilisi reaktsioone. Need elektrolüüsi mõjutavad tegurid on ultraheli poolt indutseeritud kavitatsiooni ja vibratsiooni tulemused ning nende hulka kuuluvad akustiline voogesitus, mikroturbulentsi, mikrojoad, lööklained ja sonokeemilised mõjud. Ultraheli / akustiline kavitatsioon tekib, kui suure intensiivsusega ultraheli lained on ühendatud vedelikku. Kavitatsiooni nähtust iseloomustab niinimetatud kavitatsioonimullide kasv ja kokkuvarisemine. Mulliimplosiooni iseloomustavad üliintensiivsed, kohapeal esinevad jõud. Nende jõudude hulka kuuluvad intensiivne kohalik küte kuni 5000 K, kõrge rõhk kuni 1000 atm, ja tohutu kütte-ja jahutuskiirused (>100k / sek) ja nad provotseerida ainulaadset vastasmõju aine ja energia. Näiteks mõjutavad need kavitatsioonijõud vesinikeintide sidumist vees ja hõlbustavad veeklastrite lõhenemist, mille tulemuseks on seejärel elektrolüüsi energiatarbimise vähenemine.
Ultraheli mõju elektroodid
- Setete eemaldamine elektroodipinnalt
- Elektroodipinna aktiveerimine
- Elektrolüütide transport elektroodide suunas ja eemal
Pindade puhastamine ja aktiveerimine
Massiülekanne on üks olulisi tegureid, mis mõjutavad reaktsioonikiirust, kiirust ja saagikust. Elektrolüütiliste reaktsioonide ajal koguneb reaktsioonisaadus, nt sade, nii elektroodipindadele kui ka otse elektroodipinnale ning aeglustab värske lahuse elektrolüütilist muundumist elektroodiks. Ultraheli reklaamitud elektrolüütilised protsessid näitavad suurenenud massiülekannet lahtises lahuses ja pindade lähedal. Ultraheli vibratsioon ja kavitatsioon eemaldab elektroodipindadelt passivatsioonikihid ja hoiab neid püsivalt täielikult efektiivsena. Lisaks on teada, et soniferooss suurendab sonokeemiliste mõjude abil reaktsiooniradasid.
Madalam ohmic pinge langus, reaktsioon ülepotentsiaali, ja lagunemise potentsiaali
Elektrolüüsi tekkimiseks vajalik pinge on tuntud lagunemispotentsiaalina. Ultraheli võib vähendada vajalikku lagunemispotentsiaali elektrolüüsiprotsessides.
Ultraheli elektrolüüsi rakk
Vee elektrolüüsi, ultraheli energia sisend, elektroodide ja elektrolüütide kontsentratsioon on peamised tegurid, mis mõjutavad vee elektrolüüsi ja selle tõhusust.
Leeliselise elektrolüüsi korral kasutatakse elektrolüüsikambrit, mille veasugust etalootilist lahust on tavaliselt 20–40% KOH või NaOH. Elektrienergiat rakendatakse kahele elektroodile.
Reaktsioonikiiruse kiirendamiseks saab kasutada elektroodikatalüsaatoreid. Näiteks Pt elektroodid on soodsad, sest reaktsioon tekib kergemini.
Teadusuuringute artiklid aruande 10%-25% energiasäästu kasutades ultraheliga edendada elektrolüüsi vett.
Ultraheli elektrolüütvesiniku tootmiseks katse- ja tööstusskaalal
Hielscher ULTRASONICS’ tööstuslikud ultraheli protsessorid on ehitatud 24 / 7 / 365 operatsiooni täiskoormuse ja raskeveokite protsessides.
Varustades jõulisi ultraheli süsteeme, spetsiaalseid sonotroodid (sondid), mis toimivad samaaegselt elektroodi ja ultraheli lainesaatjana, ning elektrolüüsi reaktorid, kõrgscher Ultrasonics, vastab elektrolüütilise vesiniku tootmise erinõuetele. Kõik UIP seeria digitaalsed tööstuslikud ultrasonicators (UIP500hdT (500 vatti), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2kW) ja UIP4000hdT (4kW)) on suure jõudlusega ultraheli ühikud elektrolüüsi rakendustejaoks.
Alljärgnev tabel annab teile ülevaate meie ultrahelihitiste ligikaudse töötlemisvõimsusest:
| partii Köide | flow Rate | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 00,02 kuni 5L | 00,05 kuni 1L/min | UIP500hdT |
| 00,05 kuni 10L | 0.1 kuni 2L/min | UIP1000hdT |
| 00,07 kuni 15L | 0.15 kuni 3L/min | UIP1500hdT |
| 0.1 kuni 20 l | 0.2 kuni 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100 l | 2 kuni 10 l / min | UIP4000hdT |
Võta meiega ühendust! / Küsi meiega!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
Kirjandus/viited
- Islam Md H., Burheim Odne S., Pollet Bruno G. (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry 51, 2019. 533–555.
- 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.
- Sherif S. Rashwan; Ibrahim Dincer; Atef Mohan; Bruno G. Pollet (2015): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy 44, 2019. 14500-14526.
Faktid Tasub teada
Mis on vesinik?
Vesinik on keemiline element sümboliga H ja aatomnumbriga 1. Standardse aatommassiga 1,008 on vesinik perioodilise tabeli kõige kergem element. Vesinik on kõige rikkalikum keemiline aine universumis, moodustades umbes 75% kogu barüünilisest massist. H2 on gaas, mis moodustab, kui kaks vesinikuaatomit ühtivad ja muutuvad vesinikumolekuliks. H2 nimetatakse ka molekulaarvesinikuks ja see on diatoomiline homotuumamolekul. See koosneb kahest prootonist ja kahest elektronist. Neutraalse laenguga molekulaarne vesinik on stabiilne ja seega kõige levinum vesinikuvorm.
Kui vesinikku toodetakse tööstuslikus mastaabis, on aurureformimine maagaas kõige laialdasemalt kasutatav tootmisvorm. Teine meetod on vee elektrolüüs. Suurem osa vesinikust toodab selle viimase kasutuse koha lähedal, nt fossiilkütuste töötlemisrajatiste lähedal (nt hüdrokrakkimine) ja ammoniaagipõhiste väetisetootjate lähedal.