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.

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.

 
Vee elektrolüüsi osas saavutatakse vee jagamine hapnikuks ja vesinikuks, juhtides elektrivoolu läbi vee.
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) (vähendamine katoodil)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oksüdeerumine anoodil)
Üldine reaktsioon: 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 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.

 

Ultraheli mõju elektrolüüsile

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.
 
Ultraheli mõju elektroodidele

• Sadestuste eemaldamine elektroodi pinnalt
• Elektroodipinna aktiveerimine
• Elektrolüütide transport elektroodide suunas ja neist eemale

 

elektroodipindade ultraheli puhastamine ja aktiveerimine

Massiülekanne on üks olulisi tegureid, mis mõjutavad reaktsioonikiirust, kiirust ja saagist. Elektrolüütiliste reaktsioonide ajal koguneb reaktsioonisaadus, nt sade, nii elektroodipindade ümber kui ka otse nendele pindadele ja aeglustab värske lahuse elektrolüütilist muundumist elektroodiks. Ultraheli reklaamitud elektrolüütilised protsessid näitavad suurenenud massiülekannet lahtises lahuses ja pindade lähedal. Ultraheli vibratsioon ja kavitatsioon eemaldab elektroodipindadelt passiveerimiskihid ja hoiab neid seeläbi püsivalt täielikult tõhusana. Lisaks on teada, et sonifikatsioon suurendab sonokeemiliste mõjude abil reaktsiooniteid.

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.

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest: