Tehokas vedyntuotanto ultraäänellä

Vety on vaihtoehtoinen polttoaine, joka on suositeltava ympäristöystävällisyytensä ja hiilidioksidipäästöttömyytensä vuoksi. Perinteinen vedyntuotanto ei kuitenkaan ole tehokasta taloudellisessa massatuotannossa. Ultraäänellä edistetty veden ja emäksisten vesiliuosten elektrolyysi johtaa korkeampiin vedyn saantoihin, reaktionopeuteen ja muuntonopeuteen. Ultraäänellä avustettu elektrolyysi tekee vedyn tuotannosta taloudellista ja energiatehokasta.
Ultraäänellä edistetyt sähkökemialliset reaktiot, kuten elektrolyysi ja sähkökoagulaatio, osoittavat parempaa reaktionopeutta, nopeutta ja saantoa.

Tehokas vedyntuotanto sonikaatiolla

Veden ja vesiliuosten elektrolyysi vedyn tuottamiseksi on lupaava prosessi puhtaan energian tuottamiseksi. Veden elektrolyysi on sähkökemiallinen prosessi, jossa sähköä käytetään veden jakamiseen kahteen kaasuun, nimittäin vetyyn (H2) ja happeen (O2). H: n pilkkomiseksi – O – H sitoutuu elektrolyysillä, sähkövirta kulkee veden läpi.
Elektrolyyttistä reaktiota varten käytetään suoraa sähköistä valuuttaa käynnistämään muuten viisas ei-spontaani reaktio. Elektrolyysi voi tuottaa erittäin puhdasta vetyä yksinkertaisessa, ympäristöystävällisessä ja vihreässä prosessissa, jossa CO2-päästöt ovat nolla, koska O2 on ainoa sivutuote.

 
Veden elektrolyysin osalta veden jakaminen hapeksi ja vedyksi saavutetaan johtamalla sähkövirta veden läpi.
Puhtaassa vedessä negatiivisesti varautuneessa katodissa tapahtuu pelkistysreaktio, jossa katodin elektronit (e−) lahjoitetaan vetykationeille vetykaasun muodostumiseksi. Positiivisesti varautuneessa anodissa tapahtuu hapetusreaktio, joka tuottaa happikaasua antaen samalla elektroneja anodille. Tämä tarkoittaa, että vesi reagoi anodissa muodostaen happea ja positiivisesti varautuneita vetyioneja (protoneja). Näin saadaan päätökseen seuraava energiatasapainon yhtälö:
 
2h⁺ (aq) + 2e^– → H₂ g) (pelkistys katodin kohdalla)
2h₂O (l) → O2 g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (hapettuminen anodissa)
Yleisreaktio: 2H₂O (l) → 2H₂ g) + O₂ g)
 
Usein alkalista vettä käytetään elektrolyysiin vedyn tuottamiseksi. Alkalisuolat ovat alkalimetallien ja maa-alkalimetallien liukoisia hydroksideja, joista yleisiä esimerkkejä ovat: natriumhydroksidi (NaOH, joka tunnetaan myös nimellä kaustinen sooda) ja kaliumhydroksidi (KOH, joka tunnetaan myös nimellä kaustinen kalium). Eletkrolyysissä käytetään pääasiassa 20% - 40% emäksistä liuosta.

 

 

Vedyn ultraäänisynteesi

Kun vetykaasua tuotetaan elektrolyyttisessä reaktiossa, vety syntetisoidaan suoraan hajoamispotentiaalissa. Elektrodien pinta on alue, jossa vedyn muodostuminen tapahtuu molekyylivaiheessa sähkökemiallisen reaktion aikana. Vetymolekyylit nukleoituvat elektrodin pinnalla siten, että katodin ympärillä on myöhemmin vetykaasukuplia. Ultraäänielektrodien käyttö parantaa aktiivisuusimpedansseja ja pitoisuusimpedanssia ja nopeuttaa vetykuplien nousua veden elektrolyysin aikana. Useat tutkimukset osoittivat, että ultraäänivedyn tuotanto lisää vedyn tuottoa tehokkaasti.

 

Ultraäänivaikutukset elektrolyysiin

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.
 
Ultraäänivaikutus elektrodeihin

• Saostumien poistaminen elektrodin pinnalta
• Elektrodin pinnan aktivointi
• Elektrolyyttien kuljetus elektrodeja kohti ja poispäin elektrodeista

 

Ultraäänipuhdistus ja elektrodipintojen aktivointi

Massansiirto on yksi ratkaisevista tekijöistä, jotka vaikuttavat reaktionopeuteen, nopeuteen ja saantoon. Elektrolyyttisten reaktioiden aikana reaktiotuote, esim. saostuvat, kerääntyy elektrodin ympärille ja suoraan pinnoille ja hidastaa tuoreen liuoksen elektrolyyttistä muuttumista elektrodiksi. Ultraäänellä edistetyt elektrolyyttiset prosessit osoittavat lisääntynyttä massansiirtoa irtotavaraliuoksessa ja pintojen lähellä. Ultraäänivärähtely ja kavitaatio poistavat passivointikerrokset elektrodipinnoilta ja pitävät ne siten pysyvästi täysin tehokkaina. Lisäksi sonifikaation tiedetään parantavan reaktioreittejä sonokemiallisilla vaikutuksilla.

Pienempi ohminen jännitehäviö, reaktion ylipotentiaali ja hajoamispotentiaali

Elektrolyysin tapahtumiseen tarvittavaa jännitettä kutsutaan hajoamispotentiaaliksi. Ultraääni voi alentaa tarvittavaa hajoamispotentiaalia elektrolyysiprosesseissa.

ultraäänielektrolyysikenno

Veden elektrolyysissä ultraäänienergian syöttö, elektrodiväli ja elektrolyyttipitoisuus ovat keskeisiä tekijöitä, jotka vaikuttavat veden elektrolyysiin ja sen tehokkuuteen.
Alkalista elektrolyysiä varten käytetään elektrolyysikennoa, jossa on vesipitoinen emäksinen liuos, jossa on yleensä 20–40% KOH: ta tai NaOH: ta. Sähköenergiaa syötetään kahteen elektrodiin.
Elektrodikatalyyttejä voidaan käyttää reaktionopeuden nopeuttamiseen. Esimerkiksi Pt-elektrodit ovat edullisia, koska reaktio tapahtuu helpommin.
Tieteelliset tutkimusartikkelit raportoivat 10%-25% energiansäästöstä käyttämällä ultraäänellä edistettyä veden elektrolyysiä.

Ultraäänielektrolysaattorit vedyn tuotantoon pilotti- ja teollisessa mittakaavassa

Hielscher Ultrasonics’ Teolliset ultraääniprosessorit on rakennettu 24/7/365 toimintaan täydellä kuormituksella ja raskaissa prosesseissa.
Toimittamalla vankkoja ultraäänijärjestelmiä, erityisesti suunniteltuja sonotrodeja (koettimia), jotka toimivat elektrodi- ja ultraääniaaltolähettimenä samanaikaisesti, ja elektrolyysireaktoreita, Hielscher Ultrasonics vastaa elektrolyyttisen vedyn tuotannon erityisvaatimuksiin. Kaikki UIP-sarjan digitaaliset teolliset ultraäänilaitteet (UIP500hdT (500 wattia), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2kW) ja UIP4000hdT (4kW)) ovat korkean suorituskyvyn ultraääniyksiköitä elektrolyysisovelluksiin.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: