تولید هیدروژن کارآمد با اولتراسونیک
هیدروژن یک سوخت جایگزین است که به دلیل سازگاری با محیط زیست و انتشار دی اکسید کربن صفر ترجیح داده می شود. با این حال، تولید هیدروژن معمولی برای تولید انبوه اقتصادی کارآمد نیست. الکترولیز التراسونیک ترویج محلول های آب و آب قلیایی منجر به عملکرد هیدروژن بالاتر، سرعت واکنش و سرعت تبدیل. الکترولیز با کمک اولتراسونیک باعث می شود تولید هیدروژن اقتصادی و انرژی کارآمد باشد.
واکنش های الکتروشیمیایی التراسونیک ترویج مانند الکترولیز و انعقاد الکتریکی نشان می دهد بهبود سرعت واکنش، سرعت و بازده.
تولید هیدروژن کارآمد با فراصوت
الکترولیز آب و محلول های آبی به منظور تولید هیدروژن یک فرآیند امیدوارکننده برای تولید انرژی پاک است. الکترولیز آب یک فرآیند الکتروشیمیایی است که در آن الکتریسیته برای تقسیم آب به دو گاز هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2) اعمال می شود. به منظور شکافتن H – O – H با الکترولیز پیوند می خورد ، جریان الکتریکی از طریق آب عبور می کند.
برای واکنش الکترولیتی، یک ارز الکتریکی مستقیم برای شروع یک واکنش غیر خود به خودی عاقلانه دیگر استفاده می شود. الکترولیز می تواند هیدروژن با خلوص بالا را در یک فرآیند ساده، سازگار با محیط زیست و سبز با انتشار CO2 صفر تولید کند زیرا O2 تنها محصول جانبی است.
پردازنده های اولتراسونیک 2x مدل UIP200hdT با پروب ، که به عنوان الکترود عمل می کنند، یعنی کاتد و آند. ارتعاش و کاویتاسیون اولتراسوند باعث تولید هیدروژن الکتروشیمیایی می شود.
در مورد الکترولیز آب ، تقسیم آب به اکسیژن و هیدروژن با عبور جریان الکتریکی از آب حاصل می شود.
در آب خالص در کاتد با بار منفی ، یک واکنش کاهش اتفاق می افتد که در آن الکترون ها (e-) از کاتد به کاتیون های هیدروژن اهدا می شوند تا گاز هیدروژن تشکیل شود. در آند با بار مثبت، یک واکنش اکسیداسیون رخ می دهد که گاز اکسیژن تولید می کند و در عین حال الکترون به آند می دهد. این بدان معناست که آب در آند واکنش می دهد و اکسیژن و یون های هیدروژن با بار مثبت (پروتون ها) را تشکیل می دهد. بدین ترتیب معادله تعادل انرژی زیر تکمیل می شود:
2 ساعت+ (aq) + 2e– → HH2S (ز) (کاهش در کاتد)
2 ساعتH2SO (l) → O2 (گرم) + 4 ساعت+ (aq) + 4e– (اکسیداسیون در آند)
واکنش کلی: 2 ساعتH2SO (l) → 2HH2S (گرم) + OH2S (گرم)
اغلب از آب قلیایی برای الکترولیز به منظور تولید هیدروژن استفاده می شود. نمک های قلیایی هیدروکسیدهای محلول فلزات قلیایی و فلزات قلیایی خاکی هستند که نمونه های متداول آنها عبارتند از: هیدروکسید سدیم (NaOH ، همچنین به عنوان سود سوزآور شناخته می شود) و هیدروکسید پتاسیم (KOH ، همچنین به عنوان پتاس سوزاننده شناخته می شود). برای التکرولیز عمدتا از غلظت های 20 تا 40 درصد محلول سوزاننده استفاده می شود.
تولید سونو الکتروشیمیایی هیدروژن در کاتد اولتراسونیک.
سنتز التراسونیک هیدروژن
هنگامی که گاز هیدروژن در یک واکنش الکترولیتی تولید می شود ، هیدروژن درست در پتانسیل تجزیه سنتز می شود. سطح الکترودها ناحیه ای است که تشکیل هیدروژن در مرحله مولکولی در طی واکنش الکتروشیمیایی رخ می دهد. مولکول های هیدروژن در سطح الکترود هسته می شوند، به طوری که متعاقبا حباب های گاز هیدروژن در اطراف کاتد وجود دارد. استفاده از الکترودهای اولتراسونیک امپدانس فعالیت و امپدانس غلظت را بهبود می بخشد و افزایش حباب های هیدروژن را در طول الکترولیز آب تسریع می کند. چندین مطالعه نشان داد که تولید هیدروژن اولتراسونیک عملکرد هیدروژن را به طور موثر افزایش می دهد.
مزایای اولتراسونیک در الکترولیز هیدروژن
- بازده هیدروژن بالاتر
- بهبود بهره وری انرژی
همانطور که سونوگرافی منجر به موارد زیر می شود:
- افزایش انتقال جرم
- کاهش سریع امپدانس انباشته شده
- کاهش افت ولتاژ اهمی
- کاهش پتانسیل بیش از حد واکنش
- کاهش پتانسیل تجزیه
- گاززدایی آب / محلول آبی
- تمیز کردن کاتالیزورهای الکترود
اثرات اولتراسونیک در الکترولیز
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.
تاثیر اولتراسونیک بر روی الکترودها
- حذف رسوبات از سطح الکترود
- فعال سازی سطح الکترود
- انتقال الکترولیت ها به سمت و دور از الکترودها
تمیز کردن التراسونیک و فعال سازی سطوح الکترود
انتقال جرم یکی از عوامل مهم تأثیرگذار بر سرعت واکنش، سرعت و بازده است. در طی واکنش های الکترولیتی، محصول واکنش، به عنوان مثال رسوب، در اطراف و همچنین مستقیما روی سطوح الکترود جمع می شود و تبدیل الکترولیتی محلول تازه به الکترود را کاهش می دهد. فرآیندهای الکترولیتی التراسونیک ترویج نشان می دهد افزایش انتقال جرم در محلول فله و نزدیک سطح. ارتعاش و کاویتاسیون اولتراسونیک لایه های غیرفعال را از سطوح الکترود حذف می کند و در نتیجه آنها را به طور دائم کارآمد نگه می دارد. علاوه بر این, فراصوت شناخته شده است به منظور افزایش مسیر واکنش توسط اثرات سونوشیمیایی.
افت ولتاژ اهمی کمتر، پتانسیل بیش از حد واکنش و پتانسیل تجزیه
ولتاژ مورد نیاز برای وقوع الکترولیز به عنوان پتانسیل تجزیه شناخته می شود. سونوگرافی می تواند پتانسیل تجزیه لازم را در فرآیندهای الکترولیز کاهش دهد.
سلول الکترولیز اولتراسونیک
برای الکترولیز آب، ورودی انرژی اولتراسونیک، شکاف الکترود و غلظت الکترولیت عوامل کلیدی هستند که بر الکترولیز آب و کارایی آن تأثیر می گذارند.
برای الکترولیز قلیایی ، از یک سلول الکترولیز با محلول سوزاننده آبی معمولا 20٪ -40٪ KOH یا NaOH استفاده می شود. انرژی الکتریکی به دو الکترود اعمال می شود.
از کاتالیزورهای الکترود می توان برای تسریع سرعت واکنش استفاده کرد. به عنوان مثال، الکترودهای Pt مطلوب هستند زیرا واکنش راحت تر اتفاق می افتد.
مقالات تحقیقاتی علمی گزارش 10٪ -25٪ صرفه جویی در انرژی با استفاده از الکترولیز اولتراسونیک ترویج آب.
الکترولیزرهای التراسونیک برای تولید هیدروژن در مقیاس پایلوت و صنعتی
شرکت Hielscher Ultrasonics
’ پردازنده های اولتراسونیک صنعتی برای عملیات 24/7/365 تحت بار کامل و در فرآیندهای سنگین ساخته شده اند.
با تهیه سیستم های مافوق صوت قوی، sonotrodes ویژه طراحی شده (پروب ها)، که به عنوان الکترود و فرستنده موج اولتراسوند در همان زمان عمل می کنند، و راکتورهای الکترولیز، Hielscher مافوق صوت نیازهای خاص برای تولید هیدروژن الکترولیتی را برآورده می کند. تمام اولتراسونیک های صنعتی دیجیتال از سری UIP (UIP500hdT (500 وات)، UIP1000hdT (1 کیلو وات)، UIP1500hdT (1.5 کیلو وات)، UIP2000hdT (2 کیلووات)، و UIP4000hdT (4kW)) واحدهای اولتراسونیک با کارایی بالا برای کاربردهای الکترولیز هستند.
پروب اولتراسونیک UIP2000hdT به عنوان آند عمل می کند. امواج اولتراسونیک اعمال شده سنتز الکترولیتی هیدروژن را تشدید می کنند.
جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد:
| حجم دسته ای | نرخ جریان | دستگاه های توصیه شده |
|---|---|---|
| 00.02 تا 5 لیتر | 00.05 تا 1 لیتر در دقیقه | UIP500hdT |
| 00.05 تا 10 لیتر | 0.1 تا 2 لیتر در دقیقه | UIP1000hdT |
| 00.07 تا 15 لیتر | 0.15 تا 3 لیتر در دقیقه | UIP1500hdT |
| 0.1 تا 20 لیتر | 0.2 تا 4 لیتر در دقیقه | UIP2000hdT |
| 10 تا 100 لیتر | 2 تا 10 لیتر در دقیقه | UIP4000hdT |
تماس با ما! / از ما بپرسید!
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا برای مخلوط کردن برنامه های کاربردی، پراکندگی، امولسیون و استخراج در آزمایشگاه، خلبان و مقیاس صنعتی.
حقایقی که ارزش دانستن دارند
هیدروژن چیست؟
هیدروژن عنصر شیمیایی با نماد H و عدد اتمی 1 است. هیدروژن با وزن اتمی استاندارد 1.008 ، سبک ترین عنصر در جدول تناوبی است. هیدروژن فراوان ترین ماده شیمیایی در جهان است که تقریبا 75 درصد از کل جرم باریونی را تشکیل می دهد. H2 گازی است که با پیوند دو اتم هیدروژن به یکدیگر و تبدیل شدن به یک مولکول هیدروژن تشکیل می شود. H2 هیدروژن مولکولی نیز نامیده می شود و یک مولکول دیاتومیک و همهسته ای است. از دو پروتون و دو الکترون تشکیل شده است. هیدروژن مولکولی با داشتن بار خنثی پایدار است و در نتیجه رایج ترین شکل هیدروژن است.
هنگامی که هیدروژن در مقیاس صنعتی تولید می شود، گاز طبیعی اصلاح کننده بخار پرکاربردترین شکل تولید است. یک روش جایگزین الکترولیز آب است. بیشتر هیدروژن در نزدیکی محل استفاده اخیر آن تولید می شود ، به عنوان مثال ، در نزدیکی تأسیسات فرآوری سوخت های فسیلی (به عنوان مثال ، هیدروکراکینگ) و تولیدکنندگان کود مبتنی بر آمونیاک.
ادبیات / منابع
- 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.
- 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.