Tõhus vesiniku tootmine ultraheliga
Vesinik on alternatiivne kütus, mis on eelistatav oma keskkonnasõbralikkuse ja süsinikdioksiidi heite puudumise tõttu. Tavapärane vesiniku tootmine ei ole aga ökonoomse masstootmise jaoks tõhus. Vee ja leeliselise vee lahuste ultraheli edendatud elektrolüüs toob kaasa suurema vesiniku saagise, reaktsioonikiiruse ja konversioonikiiruse. Ultraheli abil toimuv elektrolüüs muudab vesiniku tootmise ökonoomseks ja energiatõhusaks.
Ultraheli edendatud elektrokeemilised reaktsioonid, nagu elektrolüüs ja elektrokoagulatsioon, näitavad paremat reaktsioonikiirust, kiirust ja saagist.
Vesiniku tootmise kiirendamine ultraheli ja elektrokeemia abil
Ühendades ultrahelikavitatiooni tõhususe elektrokeemiliste reaktsioonide täpsusega, on võimalik saavutada suurem vesiniku saagis ja väiksem energiakulu. Hielscheri arenenud sono-elektrokeemilised süsteemid tõhustavad massiülekannet, parandavad katalüsaatori aktiivsust ja optimeerivad elektroodide pindu, tagades ühtlase ja suure jõudlusega H₂ tootmise.
Peamised eelised:
- Täiustatud massiülekanne: Ultraheli lained vähendavad difusioonikihi paksust, tagades reaktiivainete tõhusa jõudmise elektroodidele.
- Katalüsaatori stabiilsuse parandamine: Ultrahelitöötlus takistab nanokübemete aglomeerumist, säilitades aja jooksul kõrge katalüütilise aktiivsuse.
- Energiatõhususe: Optimeerige energiatarbimist, kasutades ära kavitatsiooni poolt tekitatud mikrosegamist ja pinna puhastamist.
Tagage ühtlane ja suure intensiivsusega kavitatsioon usaldusväärsete ultraheliprotsessoritega, mis on mõeldud H₂ pidevaks tootmiseks ööpäevaringselt. Tutvuge üksikasjaliku teabega meie suure võimsusega ultrahelilahenduste kohta ja võtke ühendust meie ultrahelitehnoloogia ekspertidega!
2x ultraheliprotsessorit mudelist UIP2000hdT koos sondidega, mis toimivad elektroodidena, st katoodi ja anoodina. Ultraheli vibratsioon ja kavitatsioon soodustavad elektrokeemilist vesiniku tootmist.
Tõhus vesiniku tootmine ultrahelitöötlusega
Vee ja vesilahuste elektrolüüs vesiniku tootmiseks on paljulubav protsess puhta energia tootmiseks. Vee elektrolüüs on elektrokeemiline protsess, kus elektrit kasutatakse vee jagamiseks kaheks gaasiks, nimelt vesinikuks (H2) ja hapnikuks (O2). H-i lõhustamiseks – O – H-sidemed elektrolüüsi teel, elektrivool juhitakse läbi vee.
Elektrolüütilise reaktsiooni jaoks rakendatakse otsest elektrilist valuutat, et algatada teine tark mitte-spontaanne reaktsioon. Elektrolüüs võib tekitada kõrge puhtusastmega vesinikku lihtsas, keskkonnasõbralikus ja rohelises protsessis, mille CO2 emissioon on null, kuna O2 on ainus kõrvalsaadus.
Veel elektrolüüsi puhul saavutatakse vee lagunemine hapnikuks ja vesinikuks, juhtides vee kaudu elektrivoolu.
Puhtas vees negatiivselt laetud katoodil toimub redutseerimisreaktsioon, kus katoodi elektronid (e−) annetatakse vesiniku katioonidele nii, et moodustub vesinikgaas. Positiivselt laetud anoodil toimub oksüdatsioonireaktsioon, mis tekitab hapnikugaasi, andes samal ajal anoodile elektrone. See tähendab, et vesi reageerib anoodil, moodustades hapnikku ja positiivselt laetud vesinikioone (prootoneid). Sellega valmib järgmine energiabilansi võrrand:
2H+ (aq) + 2e– → H₂ (g) (redutseerumine katoodil)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (oksüdeerumine anoodil)
Üldreaktsioon: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
Sageli kasutatakse elektrolüüsiks leeliselist vett vesiniku tootmiseks. Leelissoolad on leelismetallide ja leelismuldmetallide lahustuvad hüdroksiidid, millest tavalised näited on: naatriumhüdroksiid (NaOH, tuntud ka kui naatriumhüdroksiid) ja kaaliumhüdroksiid (KOH, tuntud ka kui söövitav kaaliumkloriid). Eletkrolüüsiks kasutatakse peamiselt 20% kuni 40% söövitava lahuse kontsentratsioone.
Vesiniku sono-elektrokeemiline tootmine ultraheli katoodil.
Vesiniku ultraheli süntees
Kui vesinikgaasi toodetakse elektrolüütilises reaktsioonis, sünteesitakse vesinik lagunemispotentsiaali juures. Elektroodide pind on ala, kus elektrokeemilise reaktsiooni ajal toimub molekulaarsel etapil vesiniku moodustumine. Vesinikumolekulid nukleeeruvad elektroodi pinnal, nii et seejärel on katoodi ümber vesinikgaasimullid. Ultraheli elektroodide kasutamine parandab aktiivsustakistusi ja kontsentratsiooni impedantsi ning kiirendab vesinikumullide tõusu vee elektrolüüsi ajal. Mitmed uuringud näitasid, et ultraheli vesiniku tootmine suurendab vesiniku saagikust tõhusalt.
- Suurem vesiniku saagis
- Parem energiatõhusus
➡️ Kasutage ultraheli järgmistel juhtudel:
- Suurenenud massiülekanne
- Akumuleeritud impedantsi kiirendatud vähendamine
- Vähendatud ohmilise pinge langus
- Vähendatud reaktsiooni ülepotentsiaal
- Vähendatud lagunemispotentsiaal
- Vee / vesilahuse degaseerimine
- Elektroodikatalüsaatorite puhastamine
Ultraheli mõju elektrolüüsile
Ultraheliga ergastatud elektrolüüsi nimetatakse ka sonoelektrolüüsiks. Mitmesugused sonomehaanilise ja sonokeemilise iseloomuga ultrahelitegurid mõjutavad ja soodustavad elektrokeemilisi reaktsioone.
- Ultraheli lained tekitavad mullikesi
- Mullid lõhkevad
- Äärmuslik kuumus lõhub veemolekule
Elektrolüüsi mõjutavad tegurid tulenevad ultraheli poolt esile kutsutud kavitatsioonist ja vibratsioonist ning hõlmavad akustilist voolu, mikroturbulentse, mikrojette, lööklaineid ning sonokeemilisi efekte. Ultraheli-/akustiline kavitatsioon tekib, kui vedelikku suunatakse suure intensiivsusega ultrahelilained. Kavitatsiooni nähtusele on iseloomulik nn kavitatsioonimullide tekkimine ja kokkuvarisemine. Mullide implosiooni iseloomustavad ülitugevad, lokaalselt esinevad jõud. Need jõud hõlmavad intensiivset lokaalset kuumenemist kuni 5000 K, kõrget rõhku kuni 1000 atm ning tohutuid kuumenemis- ja jahutamiskiirusi (>100 k/sek) ning need põhjustavad ainulaadset vastastikmõju aine ja energia vahel. Näiteks mõjutavad need kavitatsioonijõud vees olevaid vesiniksidemeid ja soodustavad veeklastrite lagunemist, mis omakorda vähendab elektrolüüsi energiakulu.
Ultraheli mõju elektroodidele
- Sadestuste eemaldamine elektroodi pinnalt
- Elektroodipinna aktiveerimine
- Elektrolüütide transport elektroodide suunas ja neist eemale
elektroodipindade ultraheli puhastamine ja aktiveerimine
Aineülekande on üks olulisemaid tegureid, mis mõjutavad reaktsiooni kiirust, kulgu ja saagist. Elektrolüütiliste reaktsioonide käigus kogunevad reaktsioonisaadused, näiteks sademed, nii elektroodide pindade ümbrusse kui ka otse nende peale ning aeglustavad värske lahuse elektrolüütilist muundumist elektroodil. Ultraheliga soodustatud elektrolüütilised protsessid näitavad suurenenud massiülekannet nii lahuse sisemuses kui ka pindade läheduses. Ultrahelivibratsioon ja kavitatsioon eemaldavad elektrodipindadelt passiivkihid, hoides need seeläbi püsivalt täielikult tõhusana. Lisaks on teada, et ultrahelitöötlus parandab reaktsiooniteid sonokeemiliste mõjude kaudu.
Madalam oomiline pingelangus, reaktsiooni ülepotentsiaal ja lagunemispotentsiaal
Elektrolüüsi toimumiseks vajalikku pinget nimetatakse lagunemispotentsiaaliks. Ultraheli võib vähendada elektrolüüsiprotsessides vajalikku lagunemispotentsiaali.
Ultraheli elektrolüüsi rakk
Vee elektrolüüsi puhul on ultraheli energiasisend, elektroodide ja elektrolüütide kontsentratsioon peamised tegurid, mis mõjutavad vee elektrolüüsi ja selle efektiivsust.
Leeliselise elektrolüüsi jaoks kasutatakse elektrolüüsirakku, mille söövitav vesilahus on tavaliselt 20–40% KOH või NaOH. Elektrienergiat rakendatakse kahele elektroodile.
Reaktsioonikiiruse kiirendamiseks võib kasutada elektroodkatalüsaatoreid. Näiteks Pt elektroodid on soodsad, kuna reaktsioon toimub kergemini.
Teaduslikud uurimisartiklid teatavad 10–25% energiasäästust, kasutades ultraheliga edendatavat vee elektrolüüsi.
Ultraheli elektrolüsaatorid vesiniku tootmiseks piloot- ja tööstuslikus mastaabis
Hielscher Ultrasonics’ Tööstuslikud ultraheli protsessorid on ehitatud 24/7/365 operatsiooni jaoks täiskoormusel ja raskeveokite protsessides.
Varustades tugevaid ultraheli süsteeme, spetsiaalseid projekteeritud sonotroode (sonde), mis toimivad samal ajal elektroodi ja ultraheli lainesaatjana, ning elektrolüüsireaktoreid, vastab Hielscher Ultrasonics elektrolüütilise vesiniku tootmise erinõuetele. Kõik UIP-seeria digitaalsed tööstuslikud ultrasonikaatorid (UIP500hdT (500 vatti), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) ja UIP4000hdT (4kW)) on suure jõudlusega ultraheli ühikud elektrolüüsirakenduste jaoks.
UIP2000hdT ultraheli sond toimib anoodina. Rakendatud ultraheli lained intensiivistavad vesiniku elektrolüütilist sünteesi.
Allpool olev tabel annab ülevaate meie sonikaatoritest ja sonoelektroodidest, mida kasutatakse H₂ elektrokeemiliseks tootmiseks – uurimislaborist tootmisse:
| Sonikaator | Ultraheli võimsus | ruumala |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Falconi toru |
| UP100H | 100W | 10 kuni 200 ml / min |
| UP400St | 400W | 20 kuni 400 ml / min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0.2 kuni 4L / min |
Optimeerige vesiniku saagist ultraheli abil!
Sonoelektrokeemiline rakk täiustatud H₂ sünteesiks
KKK – Sono-elektrokeemiline vesiniku tootmine
Mis on vesinik?
Vesinik on keemiline element järjenumbriga 1. Standardse aatommassiga 1, 008 on vesinik perioodilise tabeli kõige kergem element. Vesinik on kõige rikkalikum keemiline aine universumis, moodustades umbes 75% kogu barüoonilisest massist. H2 on gaas, mis moodustub siis, kui kaks vesinikuaatomit ühinevad ja muutuvad vesinikumolekuliks. H2 nimetatakse ka molekulaarseks vesinikuks ja see on diatoomiline homonukleaarne molekul. See koosneb kahest prootonist ja kahest elektronist. Neutraalse laenguga molekulaarne vesinik on stabiilne ja seega kõige levinum vesiniku vorm.
Kui vesinikku toodetakse tööstuslikus mastaabis, on auru reformimine maagaas kõige laialdasemalt kasutatav tootmisvorm. Alternatiivne meetod on vee elektrolüüs. Suurem osa vesinikust toodetakse viimati nimetatud kasutuskoha lähedal, nt fossiilkütuste töötlemisrajatiste (nt hüdrokrakkimine) ja ammoniaagipõhiste väetiste tootjate läheduses.
Mis on vesiniku sono-elektrokeemiline süntees?
Sonoelektrokeemiline süntees on hübriidmeetod, mis ühendab ultrahelikavitatiooni ja vee elektrokeemilise lagundamise. Kõrgsageduslike helilainete rakendamise abil – st ultraheli – elektrokeemilises reaktoris parandab see protsess massiülekannet, puhastab elektroodide pindu ja suurendab vesiniku tootmise üldist tõhusust võrreldes traditsioonilise elektrolüüsiga.
Kuidas parandab ultraheli vesiniku saagist elektrolüüsis?
Ultraheli parandab vesiniku teket peamiselt akustilise kavitatsiooni kaudu. Mikroskoopiliste mullide tekkimine ja kokkuvarisemine tekitab intensiivset mikroturbulentsi, mis vähendab difusioonikihi paksust elektroodi pinnal. See tagab reaktiivainete kiirema jõudmise katalüsaatorini ja aitab vesinikgaasimulle tõhusamalt eemaldada, vältides “gaasikaitse” ning võimaldades suuremaid voolutihedusi.
Millised on tööstusliku ultraheliseadme kasutamise eelised vesiniku sünteesil?
Hielscheri tööstusliku UIP-seeria kõrge intensiivsusega ultraheliprotsessorite, nagu näiteks UIP2000hdT, kasutamine pakub mitmeid eeliseid:
- Katalüsaatori aktiivsuse suurenemine: Ultrahelitöötlus takistab nanotükkide kokkukleepumist, hoides katalüsaatorid (nagu Pt, TiO₂ või Ni) väga aktiivsena.
- Elektroodi puhastamine: Ultraheli puhastab pidevalt elektroodide pindu, vähendades polarisatsiooni ja pikendades reaktori komponentide kasutusiga.
- Mastaapsus: Need süsteemid on mõeldud pidevaks tööks 24 tundi ööpäevas, 7 päeva nädalas, mistõttu sobivad need nii laboratoorseteks uuringuteks kui ka tööstuslikuks vesiniku tootmiseks.
Milline on kavitatsiooni roll sonoelektrokeemilistes reaktsioonides?
Akustiline kavitatsioon on sonoelektrokeemia peamine toimemehhanism. Kui ultrahelilained läbivad vedeliku, tekitavad need vahelduvaid kõrge ja madala rõhu tsükleid. Madala rõhu tsükli ajal tekivad ja kasvavad pisikesed vaakummullid; kõrge rõhu tsükli ajal need implosiooniliselt kokku varisevad. See kokkuvarisemine tekitab lokaalselt äärmuslikke temperatuure ja rõhke, mis võivad soodustada keemilisi reaktsioone ja oluliselt parandada elektroodide ja elektrolüüdi vahelist kontakti.
Kas sonoelektrokeemiat saab kasutada koos taastuvate energiaallikatega?
Jah. Sono-elektrokeemilisi süsteeme on võimalik integreerida taastuvate energiaallikatega, nagu päikese- või tuuleenergia. Kuna ultraheliprotsessorid suudavad töötada tõhusalt erinevatel võimsustasemetel, sobivad need suurepäraselt katkendliku energiavarustusega, mis võib vähendada rohelise vesiniku tootmise süsiniku jalajälge.
Kuidas võrdub sono-elektrokeemiline vesiniku tootmine traditsioonilise metaani aurureformimisega?
Erinevalt auru-metaanireformimisest (SMR), mis tugineb fossiilkütustele ja mille käigus eraldub märkimisväärne kogus CO₂, kasutatakse sonoelektrokeemilises sünteesis toorainena tavaliselt vett. Kuigi SMR on praegu laiemalt kasutusel, pakub sonoelektrokeemia puhtamat, “roheline” alternatiiv, mida saab toita taastuvenergiast toodetud elektriga, mis teeb sellest jätkusuutliku vesinikumajanduse võtmetähtsusega tehnoloogia.
Kirjandus / Viited
- 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.
- José González-García, Ludovic Drouin, Craig E. Banks, Biljana Šljukić, Richard G. Compton (2007): At point of use sono-electrochemical generation of hydrogen peroxide for chemical synthesis: The green oxidation of benzonitrile to benzamide. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 14, Issue 2, 2007. 113-116.
- 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.