Tõhus vesiniku tootmine ultraheli abil
Vesinik on alternatiivne kütus, mida eelistatakse selle keskkonnasõbralikkuse ja nullilise süsinikdioksiidi heite tõttu. Tavapärane vesiniku tootmine ei ole aga majanduslikult tõhus masstootmiseks. Vee ja aluseliste veelahuste ultraheli abil kiirendatud elektrolüüs annab suurema vesiniku saagise, reaktsioonikiiruse ja muundumiskiiruse. Ultraheli abil toetatud elektrolüüs muudab vesiniku tootmise ökonoomseks ja energiatõhusaks.
Ultraheli abil kiirendatud elektrokeemilised reaktsioonid, näiteks elektrolüüs ja elektrokoagulatsioon, näitavad paranenud reaktsioonikiirust, -määra ja saagiseid.
Kiirendage vesiniku tootmist ultraheli ja elektrokeemia jõul
Ühendage ultraheli kavitatsiooni tõhusus elektrokeemiliste reaktsioonide täpsusega, et saavutada suurem vesiniku saagis ja väiksem energiatarve. Hielscheri täiustatud sonoelektrokeemilised süsteemid parandavad massiülekannet, suurendavad katalüsaatori aktiivsust ja optimeerivad elektroodide pindu ühtlase ja suure jõudlusega H₂ tootmise jaoks.
Peamised eelised:
- Parem massiülekanne: Ultrahelilained vähendavad difusioonikihi paksust, tagades reagentide tõhusa jõudmise elektroodideni.
- Parem katalüsaatori stabiilsus: Ultraheli töötlus (sonikeerimine) hoiab ära nanoosakeste aglomeratsiooni ja säilitab kõrge katalüütilise aktiivsuse pikema aja jooksul.
- Energiatõhusus: Optimeerige energiasisendit, kasutades ära kavitatsioonist tingitud mikrosegunemist ja pindade puhastamist.
Tagage ühtlane ja suure intensiivsusega kavitatsioon töökindlate ultraheliprotsessoritega, mis on loodud pidevaks 24/7 H₂ tootmiseks. Küsige üksikasjalikku teavet meie suure võimsusega ultraheli lahenduste kohta ja rääkige meie ultraheli töötluse ekspertidega!
2 ultraheliprotsessorit mudelist UIP2000hdT koos sondidega, mis toimivad elektroodidena, st katoodi ja anoodina. Ultrahelivibratsioon ja kavitatsioon soodustavad elektrokeemilist vesiniku tootmist.
Tõhus vesiniku tootmine ultraheli töötlusega
Vee ja vesilahuste elektrolüüs vesiniku tootmise eesmärgil on paljutõotav protsess puhta energia tootmiseks. Vee elektrolüüs on elektrokeemiline protsess, kus elektrit kasutatakse vee lõhustamiseks kaheks gaasiks, nimelt vesinikuks (H₂) ja hapnikuks (O₂). H – O – H sidemete katkestamiseks elektrolüüsi teel juhitakse vette elektrivool.
Elektrolüütilise reaktsiooni jaoks rakendatakse alalisvoolu, et käivitada muidu mittespontaanne reaktsioon. Elektrolüüsiga saab toota kõrge puhtusega vesinikku lihtsas, keskkonnasõbralikus, rohelises protsessis, mille CO₂ heide on null, kuna O₂ on ainus kõrvalsaadus.
Vee elektrolüüsi puhul saavutatakse vee lõhustamine hapnikuks ja vesinikuks elektrivoolu juhtimisega läbi vee.
Puhtas vees toimub negatiivselt laetud katoodil redutseerumisreaktsioon, kus katoodilt pärinevad elektronid (e−) loovutatakse vesinikkatioonidele, nii et tekib vesiniku gaas. Positiivselt laetud anoodil toimub oksüdeerumisreaktsioon, mis tekitab hapniku gaasi, andes samal ajal elektronid anoodile. See tähendab, et vesi reageerib anoodil, moodustades hapniku ja positiivselt laetud vesinikioonid (prootonid). Sellega täidetakse järgmine energiabilansi võrrand:
2H+ (aq) + 2e– → H₂ (g) (redutseerumine katoodil)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (oksüdeerumine anoodil)
Kogureaktsioon: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
Vesiniku tootmiseks kasutatakse elektrolüüsil sageli aluselist vett. Leelissoolad on leelismetallide ja leelismuldmetallide lahustuvad hüdroksiidid, mille levinumad näited on naatriumhüdroksiid (NaOH, tuntud ka kui seebikivi ehk kaustiline sooda) ja kaaliumhüdroksiid (KOH, tuntud ka kui kaustiline potas). Elektrolüüsiks kasutatakse peamiselt 20% kuni 40% leeliselahuse kontsentratsioone.
Vesiniku sonoelektrokeemiline tootmine ultraheli katoodil.
Vesiniku ultraheli süntees
Kui vesinikgaas tekib elektrolüütilises reaktsioonis, sünteesitakse vesinik just lagunemispotentsiaalil. Elektroodide pind on piirkond, kus vesiniku teke toimub elektrokeemilise reaktsiooni käigus molekulaarsel tasandil. Vesinikumolekulid tekivad (nukleeruvad) elektroodi pinnal, nii et seejärel esinevad katoodi ümber vesinikgaasi mullid. Ultraheli elektroodide kasutamine parandab aktiivsustakistusi (activity impedances) ja kontsentratsioonitakistust ning kiirendab vesiniku mullide tõusu vee elektrolüüsi ajal. Mitmed uuringud on näidanud, et ultraheli abil vesiniku tootmine suurendab vesiniku saagist tõhusalt.
- Suurem vesiniku saagis
- Parem energiatõhusus
➡️ Kasutage ultraheli töötlust (sonikeerimist) järgmiseks:
- Suurem massiülekanne
- Kogunenud takistuse kiirendatud vähenemine
- Väiksem oomiline pingelang
- Väiksem reaktsiooni ülepotentsiaal
- Väiksem lagunemispotentsiaal
- Vee / vesilahuse gaasivabastus (degaseerimine)
- Elektroodikatalüsaatorite puhastamine
Ultraheli mõju elektrolüüsile
Ultrahelilainetega ergastatud elektrolüüsi tuntakse ka sonoelektrolüüsina. Elektrokeemilisi reaktsioone mõjutavad ja soodustavad mitmesugused sonomehaanilised ja sonokeemilised ultraheli tegurid.
- Ultrahelilained tekitavad mulle
- Mullid kollabeeruvad
- Äärmine kuumus lõhub veemolekule
Elektrolüüsi mõjutavad tegurid on ultraheli tekitatud kavitatsiooni ja vibratsiooni tulemus ning hõlmavad akustilist vooluseid, mikroturbulentse, mikrojuge, lööklaineid ja sonokeemilisi efekte. Ultraheli- ehk akustiline kavitatsioon tekib siis, kui suure intensiivsusega ultrahelilained juhitakse vedelikku. Kavitatsiooni iseloomustab nn kavitatsioonimullide kasv ja kollaps. Mulli implosiooni iseloomustavad ülimalt intensiivsed, lokaalselt esinevad jõud. Need jõud hõlmavad intensiivset kohalikku kuumenemist kuni 5000K, kõrgeid rõhke kuni 1000 atm ning tohutuid kuumenemis- ja jahtumiskiirusi (>100k/sec) ning need esile kutsuvad ainulaadse vastasmõju aine ja energia vahel. Näiteks mõjutavad need kavitatsioonijõud vee vesiniksidemeid ja hõlbustavad veeklastrite lõhustumist, mis omakorda vähendab elektrolüüsi energiatarbimist.
Ultraheli mõju elektroodidele
- Setete eemaldamine elektroodi pinnalt
- Elektroodi pinna aktiveerimine
- Elektrolüütide transport elektroodide suunas ja nendest eemale
Elektroodipindade ultraheli puhastus ja aktiveerimine
Massiülekanne on üks otsustavaid tegureid, mis mõjutavad reaktsiooni kiirust, tempot ja saagist. Elektrolüütiliste reaktsioonide ajal koguneb reaktsioonisaadus, nt sademed, elektroodide pindade ümber ja otse nende pinnale ning aeglustab värske lahuse elektrolüütilist muundumist elektroodil. Ultraheli abil soodustatud elektrolüütilistes protsessides on massiülekanne suurem nii lahuse mahus kui ka pindade läheduses. Ultraheli vibratsioon ja kavitatsioon eemaldavad elektroodide pindadelt passiveerivad kihid ning hoiavad need seeläbi püsivalt täielikult tõhusad. Lisaks on teada, et sonikeerimine parandab reaktsiooniteid sonokeemiliste efektide kaudu.
Väiksem oomiline pingelang, reaktsiooni ülepotentsiaal ja lagunemispotentsiaal
Elektrolüüsi toimumiseks vajalikku pinget nimetatakse lagunemispotentsiaaliks. Ultraheli võib elektrolüüsiprotsessides vajalikku lagunemispotentsiaali vähendada.
Ultraheli elektrolüüsirakk
Vee elektrolüüsil on ultraheli energiasisend, elektroodide vahe ja elektrolüüdi kontsentratsioon võtmetegurid, mis mõjutavad vee elektrolüüsi ja selle tõhusust.
Siselduselektrolüüsiks (leeliselise elektrolüüsi jaoks) kasutatakse elektrolüüsirakku, milles on tavaliselt 20%–40% KOH või NaOH vesilahus. Elektrienergia rakendatakse kahele elektroodile.
Reaktsioonikiiruse suurendamiseks võib kasutada elektroodikatalüsaatoreid. Näiteks on Pt elektroodid soodsad, kuna reaktsioon toimub lihtsamalt.
Teadusartiklid teatavad 10%-25% energiasäästust vee ultraheli abil soodustatud elektrolüüsi kasutamisel.
Ultraheli elektrolüüserid vesiniku tootmiseks pilootmahus ja tööstuslikus mastaabis
Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheli protsessorid on ehitatud 24/7/365 tööks täiskoormusel ja raskes töörežiimis protsessides.
Pakkudes töökindlaid ultraheli süsteeme, spetsiaalselt kavandatud sonotroode (sonde), mis toimivad samaaegselt elektroodi ja ultraheli lainete edastajana, ning elektrolüüsireaktoreid, vastab Hielscher Ultrasonics elektrolüütilise vesiniku tootmise erinõuetele. Kõik UIP seeria digitaalsed tööstuslikud ultraheli seadmed (UIP500hdT (500 vatti), UIP1000hdT (1 kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2 kW) ja UIP4000hdT (4 kW)) on suure jõudlusega ultraheli seadmed elektrolüüsi rakenduste jaoks.
UIP2000hdT ultraheli sond toimib anoodina. Rakendatud ultraheli lained tõhustavad vesiniku elektrolüütilist sünteesi.
Allolev tabel annab ülevaate meie sonikaatoritest ja sonoelektroodidest elektrokeemiliseks H₂ tootmiseks – uurimislaborist tootmiseni:
| Sonikaator | Ultraheli võimsus | Maht |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Falconi tuub |
| UP100H | 100W | 10 kuni 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 kuni 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0,2 kuni 4L/min |
Optimeerige oma vesiniku saagist ultraheli töötlusega!
Sonoelektrokeemiline kamber parema H2 sünteesi jaoks
KKK – sonoelektrokeemiline vesiniku tootmine
Mis on vesinik?
Vesinik on keemiline element sümboliga H ja aatomnumbriga 1. Standardse aatommassiga 1,008 on vesinik perioodilisustabeli kergeim element. Vesinik on universumis kõige levinum keemiline aine, moodustades umbes 75% kogu barüonmassist. H₂ on gaas, mis tekib, kui kaks vesinikuaatomit seostuvad ja moodustavad vesiniku molekuli. H₂ -i nimetatakse ka molekulaarseks vesinikuks ning see on kaheaatomiline homotuumne molekul. See koosneb kahest prootonist ja kahest elektronist. Neutraalse laenguga molekulaarne vesinik on stabiilne ja seetõttu vesiniku kõige tavalisem vorm.
Kui vesinikku toodetakse tööstuslikus mastaabis, on maagaasi aurureformimine kõige laialdasemalt kasutatav tootmisviis. Alternatiivne meetod on vee elektrolüüs. Enamik vesinikku toodetakse selle hilisema kasutuskoha lähedal, nt fossiilkütuste töötlemisrajatiste (nt hüdrokrakkimine) ja ammoniaagipõhiste väetisetootjate läheduses.
Mis on vesiniku sonoelektrokeemiline süntees?
Sonoelektrokeemiline süntees on hübriidtehnika, mis ühendab ultraheli kavitatsiooni ja vee elektrokeemilise lõhustamise. Rakendades elektrokeemilisele reaktorile kõrgsageduslikke helilaineid – st ultraheli –, parandab protsess massiülekannet, puhastab elektroodide pindu ja tõstab vesiniku tootmise üldist efektiivsust võrreldes traditsioonilise elektrolüüsiga.
Kuidas ultraheli parandab vesiniku saagist elektrolüüsis?
Ultraheli parandab vesiniku tootmist peamiselt akustilise kavitatsiooni kaudu. Mikroskoopiliste mullide teke ja kollaps tekitavad intensiivse mikroturbulentsi, mis vähendab difusioonikihi paksust elektroodi pinnal. See tagab reagentide kiirema juurdevoolu katalüsaatorile ning aitab vesiniku gaasimulle tõhusamalt eemaldada, vältides „gaasivarjestust“ ja võimaldades suuremaid voolutihedusi.
Millised on tööstusliku sonikaatori kasutamise eelised vesiniku sünteesiks?
Suure intensiivsusega ultraheli protsessorite, nagu Hielscheri tööstusliku klassi UIP seeria UIP2000hdT, kasutamine pakub mitmeid eeliseid:
- Tõhustatud katalüsaatori aktiivsus: Ultraheli töötlus (sonikeerimine) hoiab ära nanoosakeste aglomeratsiooni ning hoiab katalüsaatorid (nagu Pt, TiO₂ või Ni) väga aktiivsetena.
- Elektroodide puhastamine: Ultraheli puhastab elektroodide pindu pidevalt, vähendades polarisatsiooni ja pikendades reaktori komponentide eluiga.
- Skaleeritavus: Need süsteemid on mõeldud pidevaks 24/7 tööks, mistõttu sobivad nad nii laboriuuringuteks kui ka tööstusliku mastaabiga vesiniku tootmiseks.
Milline on kavitatsiooni roll sonoelektrokeemilistes reaktsioonides?
Akustiline kavitatsioon on sono-elektrokeemia põhimehhanism. Kui ultrahelilained läbivad vedelikku, tekitavad need vahelduvaid kõrg- ja madalrõhutsükleid. Madalrõhutsükli ajal tekivad ja kasvavad väikesed vaakummullid; kõrgrõhutsükli ajal need kollabeeruvad implosiivselt. See kollaps tekitab lokaalselt äärmuslikke temperatuure ja rõhke, mis võivad soodustada keemilisi reaktsioone ning parandada oluliselt elektroodide ja elektrolüüdi vahelist kontakti.
Kas sono-elektrokeemiat saab kasutada koos taastuvate energiaallikatega?
Jah. Sono-elektrokeemilisi süsteeme saab integreerida taastuvate energiaallikatega, näiteks päikese- või tuuleenergiaga. Ultrahelitöötlusseadmete võime töötada tõhusalt muutuval võimsustasemel muudab need suurepäraseks sobivaks katkendlike energiavarudega, mis võib vähendada rohelise vesiniku tootmise süsinikujalajälge.
Kuidas võrdub sono-elektrokeemiline vesiniku tootmine traditsioonilise auruga metaani reformimisega?
Erinevalt auruga metaani reformimisest (SMR), mis tugineb fossiilkütustele ja eraldab märkimisväärses koguses CO₂-te, kasutab sono-elektrokeemiline süntees tavaliselt toorainena vett. Kuigi SMR on praegu rohkem väljakujunenud, pakub sono-elektrokeemia puhtamat, „rohelist“ alternatiivi, mida saab toita taastuvelektriga, muutes selle säästva vesinikumajanduse võtmetehnoloogiaks.
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.