تولید کارآمد هیدروژن با فراصوت
هیدروژن سوختی جایگزین است که به‌دلیل سازگاری با محیط‌زیست و انتشار صفر دی‌اکسید کربن، گزینه‌ای ارجح محسوب می‌شود. بااین‌حال، روش‌های متداول تولید هیدروژن برای تولید انبوه اقتصادی کارایی کافی ندارند. الکترولیز آب و محلول‌های آبی قلیایی با تقویت فراصوتی، بازده تولید هیدروژن، نرخ واکنش و سرعت تبدیل را افزایش می‌دهد. الکترولیز به کمک فراصوت، تولید هیدروژن را اقتصادی و از نظر مصرف انرژی کارآمد می‌کند.
واکنش‌های الکتروشیمیایی تقویت‌شده با فراصوت، مانند الکترولیز و انعقاد الکتریکی، سرعت، نرخ و بازده واکنش بهتری نشان می‌دهند.
تولید هیدروژن را با قدرت فراصوت و الکتروشیمی شتاب دهید
کارایی کاویتاسیون فراصوتی را با دقت واکنش‌های الکتروشیمیایی ترکیب کنید تا به بازده بالاتر تولید هیدروژن و مصرف انرژی کمتر دست یابید. سامانه‌های پیشرفته سونوالکتروشیمیایی Hielscher انتقال جرم را افزایش می‌دهند، فعالیت کاتالیست را بهبود می‌بخشند و سطوح الکترود را برای تولید پایدار و پربازده H₂ بهینه می‌کنند.
مزایای کلیدی:
- افزایش انتقال جرم: امواج فراصوت ضخامت لایه نفوذ را کاهش می‌دهند و رساندن کارآمد واکنش‌دهنده‌ها به الکترودها را تضمین می‌کنند.
- بهبود پایداری کاتالیست: فراصوت‌دهی از کلوخه‌شدن نانوذرات جلوگیری می‌کند و فعالیت کاتالیستی بالا را در طول زمان حفظ می‌کند.
- بهره‌وری انرژی: با بهره‌گیری از ریزاختلاط ناشی از کاویتاسیون و پاک‌سازی سطح، انرژی ورودی را بهینه کنید.
با پردازشگرهای فراصوتی قابل‌اعتماد که برای تولید پیوسته H₂ به‌صورت 24/7 طراحی شده‌اند، کاویتاسیون پایدار و با شدت بالا را تضمین کنید. اطلاعات دقیق درباره راهکارهای فراصوتی پرتوان ما دریافت کنید و با کارشناسان فراصوت‌دهی ما گفت‌وگو کنید!
2x پردازشگر فراصوتی مدل UIP2000hdT مجهز به پروب، که به‌عنوان الکترود، یعنی کاتد و آند، عمل می‌کنند. ارتعاش فراصوتی و کاویتاسیون، تولید الکتروشیمیایی هیدروژن را تقویت می‌کنند.
تولید کارآمد هیدروژن با فراصوت‌دهی
الکترولیز آب و محلول‌های آبی با هدف تولید هیدروژن، فرایندی امیدبخش برای تولید انرژی پاک است. الکترولیز آب فرایندی الکتروشیمیایی است که در آن از برق برای تجزیه آب به دو گاز، یعنی هیدروژن (H₂) و اکسیژن (O₂)، استفاده می‌شود. برای شکستن پیوندهای H – O – H از طریق الکترولیز، جریان الکتریکی از آب عبور داده می‌شود.
برای واکنش الکترولیتی، جریان الکتریکی مستقیم اعمال می‌شود تا واکنشی آغاز شود که در غیر این صورت خودبه‌خود رخ نمی‌دهد. الکترولیز می‌تواند در فرایندی ساده، سازگار با محیط‌زیست و سبز، هیدروژن با خلوص بالا و انتشار صفر CO₂ تولید کند، زیرا O₂ تنها محصول جانبی آن است.
در الکترولیز آب، تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن با عبور جریان الکتریکی از آب انجام می‌شود.
در آب خالص، روی کاتد با بار منفی، واکنش کاهش رخ می‌دهد که در آن الکترون‌ها (e−) از کاتد به کاتیون‌های هیدروژن داده می‌شوند تا گاز هیدروژن تشکیل شود. روی آند با بار مثبت، واکنش اکسایش رخ می‌دهد که ضمن واگذاری الکترون به آند، گاز اکسیژن تولید می‌کند. این بدان معناست که آب در آند واکنش می‌دهد و اکسیژن و یون‌های هیدروژن با بار مثبت (پروتون‌ها) تشکیل می‌دهد. به‌این‌ترتیب، معادله موازنه انرژی زیر تکمیل می‌شود:
2H+ (aq) + 2e– → H₂ (g) (کاهش در کاتد)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (اکسایش در آند)
واکنش کلی: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
اغلب برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز، از آب قلیایی استفاده می‌شود. نمک‌های قلیایی، هیدروکسیدهای محلول فلزات قلیایی و فلزات قلیایی خاکی هستند که نمونه‌های رایج آن‌ها عبارت‌اند از: سدیم هیدروکسید (NaOH، معروف به سود سوزآور) و پتاسیم هیدروکسید (KOH، معروف به پتاس سوزآور). برای الکترولیز، عمدتاً از محلول قلیایی سوزآور با غلظت‌های 20% تا 40% استفاده می‌شود.
تولید سونوالکتروشیمیایی هیدروژن در یک کاتد فراصوتی.
سنتز فراصوتی هیدروژن
هنگامی که گاز هیدروژن در یک واکنش الکترولیتی تولید می‌شود، هیدروژن درست در پتانسیل تجزیه سنتز می‌شود. سطح الکترودها ناحیه‌ای است که طی واکنش الکتروشیمیایی، تشکیل هیدروژن در مقیاس مولکولی در آن رخ می‌دهد. مولکول‌های هیدروژن روی سطح الکترود هسته‌زایی می‌کنند و در پی آن، حباب‌های گاز هیدروژن در اطراف کاتد پدید می‌آیند. استفاده از الکترودهای فراصوتی، امپدانس‌های فعالیت و امپدانس غلظتی را بهبود می‌بخشد و بالارفتن حباب‌های هیدروژن را در حین الکترولیز آب تسریع می‌کند. چندین مطالعه نشان داده‌اند که تولید فراصوتی هیدروژن، بازده تولید هیدروژن را به‌طور مؤثری افزایش می‌دهد.
- بازده بالاتر تولید هیدروژن
- بهبود بهره‌وری انرژی
➡️ از فراصوت‌دهی برای موارد زیر استفاده کنید:
- افزایش انتقال جرم
- تسریع کاهش امپدانس انباشته‌شده
- کاهش افت ولتاژ اهمی
- کاهش اضافه‌پتانسیل واکنش
- کاهش پتانسیل تجزیه
- گاززدایی آب / محلول آبی
- پاک‌سازی کاتالیست‌های الکترود
اثرات فراصوت بر الکترولیز
الکترولیز تحریک‌شده با فراصوت، سونوالکترولیز نیز نامیده می‌شود. عوامل گوناگون فراصوتی با ماهیت سونومکانیکی و سونوشیمیایی بر واکنش‌های الکتروشیمیایی اثر می‌گذارند و آن‌ها را تقویت می‌کنند.
- امواج فراصوت حباب ایجاد می‌کنند
- حباب‌ها فرومی‌پاشند
- گرمای شدید مولکول‌های آب را تجزیه می‌کند
عوامل مؤثر بر الکترولیز، حاصل کاویتاسیون و ارتعاش ناشی از فراصوت هستند و شامل جریان آکوستیکی، ریزآشفتگی‌ها، ریزجت‌ها، امواج ضربه‌ای و همچنین اثرات سونوشیمیایی می‌شوند. کاویتاسیون فراصوتی / آکوستیکی زمانی رخ می‌دهد که امواج فراصوت با شدت بالا به درون مایع کوپل شوند. پدیده کاویتاسیون با رشد و فروپاشی حباب‌هایی موسوم به حباب‌های کاویتاسیون مشخص می‌شود. درون‌پاشی حباب با نیروهای فوق‌العاده شدید و موضعی همراه است. این نیروها شامل گرمایش موضعی شدید تا 5000K، فشارهای بالا تا 1000 atm و نرخ‌های بسیار زیاد گرمایش و سرمایش (>100k/sec) هستند و برهم‌کنشی منحصربه‌فرد میان ماده و انرژی ایجاد می‌کنند. برای مثال، این نیروهای کاویتاسیونی بر پیوندهای هیدروژنی در آب اثر می‌گذارند و گسستن خوشه‌های آب را تسهیل می‌کنند که در پی آن، مصرف انرژی الکترولیز کاهش می‌یابد.
تأثیر فراصوت بر الکترودها
- زدودن رسوبات از سطح الکترود
- فعال‌سازی سطح الکترود
- انتقال الکترولیت‌ها به‌سوی الکترودها و دورکردن آن‌ها از الکترودها
پاک‌سازی و فعال‌سازی فراصوتی سطوح الکترود
انتقال جرم یکی از عوامل اساسی مؤثر بر نرخ، سرعت و بازده واکنش است. در جریان واکنش‌های الکترولیتی، محصول واکنش، برای مثال رسوبات، در اطراف سطوح الکترود و همچنین مستقیماً روی آن‌ها تجمع می‌یابد و تبدیل الکترولیتی محلول تازه در الکترود را کند می‌کند. فرایندهای الکترولیتی تقویت‌شده با فراصوت، انتقال جرم بیشتری در توده محلول و نزدیک سطوح نشان می‌دهند. ارتعاش فراصوتی و کاویتاسیون، لایه‌های غیرفعال‌کننده را از سطوح الکترود می‌زدایند و از این طریق، کارایی کامل آن‌ها را به‌طور دائمی حفظ می‌کنند. افزون بر این، مشخص شده است که فراصوت‌دهی از طریق اثرات سونوشیمیایی، مسیرهای واکنش را تقویت می‌کند.
کاهش افت ولتاژ اهمی، اضافه‌پتانسیل واکنش و پتانسیل تجزیه
ولتاژ لازم برای وقوع الکترولیز، پتانسیل تجزیه نامیده می‌شود. فراصوت می‌تواند پتانسیل تجزیه موردنیاز در فرایندهای الکترولیز را کاهش دهد.
سلول الکترولیز فراصوتی
در الکترولیز آب، انرژی فراصوتی ورودی، فاصله میان الکترودها و غلظت الکترولیت از عوامل کلیدی مؤثر بر الکترولیز آب و کارایی آن هستند.
برای الکترولیز قلیایی، از یک سلول الکترولیز حاوی محلول آبی قلیایی سوزآور، معمولاً با غلظت 20%–40% از KOH یا NaOH، استفاده می‌شود. انرژی الکتریکی به دو الکترود اعمال می‌شود.
برای افزایش سرعت واکنش می‌توان از کاتالیست‌های الکترود استفاده کرد. برای مثال، الکترودهای Pt مطلوب هستند، زیرا واکنش آسان‌تر رخ می‌دهد.
مقالات پژوهشی علمی، صرفه‌جویی انرژی به میزان 10%–25% را با استفاده از الکترولیز آب تقویت‌شده با فراصوت گزارش می‌کنند.
الکترولایزرهای فراصوتی برای تولید هیدروژن در مقیاس پایلوت و صنعتی
پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics برای کارکرد 24/7/365 تحت بار کامل و در فرایندهای سنگین ساخته شده‌اند.
Hielscher Ultrasonics با عرضه سامانه‌های فراصوتی مقاوم، سونوتْرودهای (پروب‌های) دارای طراحی ویژه که هم‌زمان به‌عنوان الکترود و انتقال‌دهنده امواج فراصوت عمل می‌کنند، و راکتورهای الکترولیز، نیازهای خاص تولید الکترولیتی هیدروژن را برآورده می‌کند. همه دستگاه‌های فراصوتی صنعتی دیجیتال سری UIP (UIP500hdT (500 وات)، UIP1000hdT (1kW)، UIP1500hdT (1٫5kW)، UIP2000hdT (2kW)، و UIP4000hdT (4kW)) دستگاه‌های فراصوتی با عملکرد بالا برای کاربردهای الکترولیز هستند.
پروب فراصوتی UIP2000hdT به‌عنوان آند عمل می‌کند. امواج فراصوت اعمال‌شده، سنتز الکترولیتی هیدروژن را تشدید می‌کنند.
جدول زیر نمایی کلی از سونیکاتورها و الکترودهای فراصوتی ما برای تولید الکتروشیمیایی H₂ ارائه می‌دهد – از آزمایشگاه تحقیقاتی تا تولید:
| سونیکاتور | توان فراصوت | حجم |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | لوله Falcon |
| UP100H | 100W | 10 تا 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 تا 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0٫2 تا 4L/min |
بازده تولید هیدروژن خود را با فراصوت‌دهی بهینه کنید!
سلول سونوالکتروشیمیایی برای بهبود سنتز H2
پرسش‌های متداول – تولید سونوالکتروشیمیایی هیدروژن
هیدروژن چیست؟
هیدروژن عنصر شیمیایی با نماد H و عدد اتمی 1 است. هیدروژن با وزن اتمی استاندارد 1٫008، سبک‌ترین عنصر جدول تناوبی است. هیدروژن فراوان‌ترین ماده شیمیایی در کیهان است و تقریباً 75% از کل جرم باریونی را تشکیل می‌دهد. H₂ گازی است که با پیوند دو اتم هیدروژن به یکدیگر و تشکیل یک مولکول هیدروژن پدید می‌آید. H₂ هیدروژن مولکولی نیز نامیده می‌شود و مولکولی دواتمی و هم‌هسته است. این مولکول از دو پروتون و دو الکترون تشکیل شده است. هیدروژن مولکولی با داشتن بار خنثی، پایدار است و ازاین‌رو رایج‌ترین شکل هیدروژن محسوب می‌شود.
در تولید هیدروژن در مقیاس صنعتی، اصلاح گاز طبیعی با بخار، پرکاربردترین روش تولید است. الکترولیز آب روشی جایگزین است. بیشتر هیدروژن در نزدیکی محل مصرف بعدی آن تولید می‌شود؛ برای مثال، در نزدیکی تأسیسات فرآوری سوخت‌های فسیلی (مانند هیدروکراکینگ) و تولیدکنندگان کودهای بر پایه آمونیاک.
سنتز سونوالکتروشیمیایی هیدروژن چیست؟
سنتز سونوالکتروشیمیایی روشی ترکیبی است که کاویتاسیون فراصوتی را با تجزیه الکتروشیمیایی آب تلفیق می‌کند. این فرایند با اعمال امواج صوتی با فرکانس بالا – یعنی فراصوت – به یک راکتور الکتروشیمیایی، انتقال جرم را افزایش می‌دهد، سطوح الکترود را پاک‌سازی می‌کند و کارایی کلی تولید هیدروژن را در مقایسه با الکترولیز متداول بهبود می‌بخشد.
فراصوت چگونه بازده تولید هیدروژن را در الکترولیز بهبود می‌بخشد؟
فراصوت عمدتاً از طریق کاویتاسیون آکوستیکی، تولید هیدروژن را بهبود می‌بخشد. تشکیل و فروپاشی حباب‌های میکروسکوپی، ریزآشفتگی شدیدی ایجاد می‌کند که ضخامت لایه نفوذ روی سطح الکترود را کاهش می‌دهد. این امر تأمین سریع‌تر واکنش‌دهنده‌ها برای کاتالیست را تضمین می‌کند و به حذف کارآمدتر حباب‌های گاز هیدروژن کمک می‌کند؛ در نتیجه از «پوشش‌دهی گازی» جلوگیری می‌شود و دستیابی به چگالی‌های جریان بالاتر امکان‌پذیر می‌گردد.
استفاده از سونیکاتور صنعتی برای سنتز هیدروژن چه مزایایی دارد؟
استفاده از پردازشگرهای فراصوتی با شدت بالا، مانند UIP2000hdT از سری صنعتی UIP شرکت Hielscher، مزایای متعددی دارد:
- افزایش فعالیت کاتالیست: فراصوت‌دهی از کلوخه‌شدن نانوذرات جلوگیری می‌کند و کاتالیست‌ها (مانند Pt، TiO₂ یا Ni) را بسیار فعال نگه می‌دارد.
- پاک‌سازی الکترود: فراصوت به‌طور پیوسته سطوح الکترود را پاک‌سازی می‌کند، قطبش را کاهش می‌دهد و عمر مفید اجزای راکتور را افزایش می‌دهد.
- مقیاس‌پذیری: این سامانه‌ها برای کارکرد پیوسته 24/7 طراحی شده‌اند و به همین دلیل، هم برای پژوهش‌های آزمایشگاهی و هم برای تولید هیدروژن در مقیاس صنعتی مناسب هستند.
نقش کاویتاسیون در واکنش‌های سونوالکتروشیمیایی چیست؟
کاویتاسیون آکوستیکی سازوکار اصلی در سونوالکتروشیمی است. هنگامی که امواج فراصوت از مایع عبور می‌کنند، چرخه‌های متناوب پرفشار و کم‌فشار ایجاد می‌کنند. در چرخه کم‌فشار، حباب‌های ریز خلأ تشکیل می‌شوند و رشد می‌کنند؛ در چرخه پرفشار، این حباب‌ها به‌صورت درون‌پاشی فرومی‌ریزند. این فروپاشی، دماها و فشارهای موضعی بسیار شدیدی ایجاد می‌کند که می‌توانند واکنش‌های شیمیایی را تسهیل کنند و تماس میان الکترودها و الکترولیت را به‌طور چشمگیری بهبود بخشند.
آیا می‌توان از سونوالکتروشیمی همراه با منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده کرد؟
بله. سامانه‌های سونوالکتروشیمیایی را می‌توان با منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند انرژی خورشیدی یا بادی، یکپارچه کرد. توانایی پردازشگرهای فراصوتی برای کارکرد کارآمد در سطوح توان متغیر، آن‌ها را به گزینه‌ای بسیار مناسب برای منابع انرژی ناپیوسته تبدیل می‌کند و می‌تواند ردپای کربنی تولید هیدروژن سبز را کاهش دهد.
تولید سونوالکتروشیمیایی هیدروژن در مقایسه با اصلاح متداول متان با بخار چگونه است؟
برخلاف اصلاح متان با بخار (SMR) که به سوخت‌های فسیلی متکی است و مقدار قابل‌توجهی CO₂ منتشر می‌کند، سنتز سونوالکتروشیمیایی معمولاً از آب به‌عنوان خوراک استفاده می‌کند. اگرچه SMR در حال حاضر روشی جاافتاده‌تر است، سونوالکتروشیمی جایگزینی پاک‌تر و «سبز» ارائه می‌دهد که می‌تواند با برق تجدیدپذیر کار کند؛ ازاین‌رو، فناوری کلیدی برای اقتصاد پایدار هیدروژن محسوب می‌شود.
منابع علمی / مراجع
- 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.