Tehokas vedyn tuotanto ultraäänellä

Vety on vaihtoehtoinen polttoaine, joka on suositeltava ympäristöystävällisyytensä ja hiilidioksidipäästöttömyytensä vuoksi. Tavanomainen vedyn tuotanto ei kuitenkaan ole riittävän tehokasta taloudelliseen massatuotantoon. Ultraäänellä tehostettu veden ja emäksisten vesiliuosten elektrolyysi tuottaa suurempia vetysaantoja sekä lisää reaktionopeutta ja konversionopeutta. Ultraääniavusteinen elektrolyysi tekee vedyn tuotannosta taloudellista ja energiatehokasta.
Ultraäänellä tehostetuissa sähkökemiallisissa reaktioissa, kuten elektrolyysissä ja sähkökoagulaatiossa, reaktionopeus, reaktiovauhti ja saannot paranevat.

Nopeuta vedyn tuotantoa ultraäänen ja sähkökemian voimalla

Yhdistä ultraäänikavitaation tehokkuus sähkökemiallisten reaktioiden tarkkuuteen suurempien vetysaantojen ja pienemmän energiankulutuksen saavuttamiseksi. Hielscherin edistyneet sonosähkökemialliset järjestelmät tehostavat aineensiirtoa, parantavat katalyyttien aktiivisuutta ja optimoivat elektrodipintoja tasaisen ja tehokkaan H₂-tuotannon varmistamiseksi.
Keskeiset edut:

• Tehostunut aineensiirto: Ultraääniaallot ohentavat diffuusiokerrosta ja varmistavat lähtöaineiden tehokkaan siirtymisen elektrodeille.
• Parempi katalyytin stabiilius: Ultraäänikäsittely estää nanohiukkasten agglomeroitumista ja ylläpitää korkeaa katalyyttistä aktiivisuutta ajan mittaan.
• Energiatehokkuus: Optimoi energiansyöttö hyödyntämällä kavitaation aikaansaamaa mikrosekoittumista ja pintojen puhdistumista.

Tehokas vedyn tuotanto ultraäänikäsittelyllä

Veden ja vesiliuosten elektrolyysi vedyn tuottamiseksi on lupaava menetelmä puhtaan energian tuotantoon. Veden elektrolyysi on sähkökemiallinen prosessi, jossa vesi hajotetaan sähkön avulla kahdeksi kaasuksi eli vedyksi (H₂) ja hapeksi (O₂). H – O – H -sidosten katkaisemiseksi elektrolyysillä veden läpi johdetaan sähkövirta.
Elektrolyyttisessä reaktiossa käytetään tasavirtaa käynnistämään reaktio, joka ei muutoin tapahdu spontaanisti. Elektrolyysillä voidaan tuottaa erittäin puhdasta vetyä yksinkertaisessa, ympäristöystävällisessä ja vihreässä prosessissa ilman CO₂-päästöjä, sillä O₂ on sen ainoa sivutuote.
Veden elektrolyysissä vesi hajotetaan hapeksi ja vedyksi johtamalla sähkövirta veden läpi.
Puhtaassa vedessä negatiivisesti varautuneella katodilla tapahtuu pelkistysreaktio, jossa katodin elektroneja (e−) luovutetaan vetykationeille, jolloin muodostuu vetykaasua. Positiivisesti varautuneella anodilla tapahtuu hapetusreaktio, joka tuottaa happikaasua ja luovuttaa samalla elektroneja anodille. Tämä tarkoittaa, että vesi reagoi anodilla muodostaen happea ja positiivisesti varautuneita vetyioneja (protoneja). Näin muodostuu seuraava energiataseyhtälö:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (pelkistyminen katodilla)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (hapettuminen anodilla)
Kokonaisreaktio: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
Vedyn tuottamiseen käytettävässä elektrolyysissä käytetään usein emäksistä vettä. Alkalisuolat ovat alkali- ja maa-alkalimetallien liukoisia hydroksideja, joista yleisiä esimerkkejä ovat natriumhydroksidi (NaOH, joka tunnetaan myös nimellä lipeä) ja kaliumhydroksidi (KOH, joka tunnetaan myös nimellä kalilipeä). Elektrolyysissä käytetään pääasiassa lipeäliuoksia, joiden pitoisuus on välillä 20% ja 40%.

Vedyn synteesi ultraäänellä

Kun vetykaasua tuotetaan elektrolyyttisessä reaktiossa, vety syntetisoituu juuri hajoamispotentiaalissa. Elektrodien pinta on alue, jolla vetyä muodostuu molekyylitasolla sähkökemiallisen reaktion aikana. Vetymolekyylit muodostavat ytimiä elektrodipinnalla, minkä seurauksena katodin ympärille muodostuu vetykaasukuplia. Ultraäänielektrodien käyttö parantaa aktiivisuusimpedansseja ja konsentraatioimpedanssia sekä nopeuttaa vetykuplien nousua veden elektrolyysin aikana. Useat tutkimukset ovat osoittaneet, että vedyn tuotanto ultraäänellä lisää vetysaantoja tehokkaasti.

Ultraäänen vaikutukset elektrolyysiin

Ultraäänellä viritetty elektrolyysi tunnetaan myös nimellä sonoelektrolyysi. Erilaiset sonomekaaniset ja sonokemialliset ultraäänitekijät vaikuttavat sähkökemiallisiin reaktioihin ja edistävät niitä.

1. Ultraääniaallot muodostavat kuplia
2. Kuplat luhistuvat
3. Äärimmäinen kuumuus hajottaa vesimolekyylejä

Elektrolyysiin vaikuttavat tekijät johtuvat ultraäänen aikaansaamasta kavitaatiosta ja värähtelystä, ja niihin kuuluvat akustinen virtaus, mikroturbulenssi, mikrosuihkut, iskuaallot sekä sonokemialliset vaikutukset. Ultraääni- eli akustista kavitaatiota esiintyy, kun voimakkaita ultraääniaaltoja kytketään nesteeseen. Kavitaatioilmiölle ovat ominaisia niin sanottujen kavitaatiokuplien kasvu ja luhistuminen. Kuplan luhistumiseen liittyy erittäin voimakkaita, paikallisesti esiintyviä voimia. Näihin kuuluvat voimakas paikallinen kuumeneminen jopa 5 000K:n lämpötilaan, korkeat paineet jopa 1 000 atm:iin asti sekä valtavat kuumenemis- ja jäähtymisnopeudet (>100k/sec), ja ne synnyttävät ainutlaatuisen vuorovaikutuksen aineen ja energian välillä. Esimerkiksi nämä kavitaatiovoimat vaikuttavat veden vetysidoksiin ja helpottavat vesiklustereiden hajoamista, mikä vähentää elektrolyysin energiankulutusta.
 
Ultraäänen vaikutus elektrodeihin

• Saostumien poistaminen elektrodipinnalta
• 
Elektrodipinnan aktivointi
• Elektrolyyttien kulkeutuminen elektrodeja kohti ja niiltä pois

Elektrodipintojen puhdistus ja aktivointi ultraäänellä

Aineensiirto on yksi keskeisistä tekijöistä, jotka vaikuttavat reaktionopeuteen, reaktiovauhtiin ja saantoon. Elektrolyyttisten reaktioiden aikana reaktiotuotteita, esimerkiksi saostumia, kertyy elektrodipintojen ympärille ja suoraan niiden päälle, mikä hidastaa tuoreen liuoksen elektrolyyttistä konversiota elektrodilla. Ultraäänellä tehostetuissa elektrolyyttisissä prosesseissa aineensiirto lisääntyy liuoksen sisäosissa ja pintojen lähellä. Ultraäänivärähtely ja kavitaatio poistavat passivointikerroksia elektrodipinnoilta ja pitävät ne siten jatkuvasti täysin tehokkaina. Lisäksi ultraäänikäsittelyn tiedetään tehostavan reaktioreittejä sonokemiallisten vaikutusten kautta.

Pienempi ohminen jännitehäviö, reaktion ylipotentiaali ja hajoamispotentiaali

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

Ultraäänielektrolyysikenno

Veden elektrolyysissä ultraäänienergian syöttö, elektrodien välinen etäisyys ja elektrolyytin pitoisuus ovat keskeisiä tekijöitä, jotka vaikuttavat veden elektrolyysiin ja sen tehokkuuteen.
Alkalisessa elektrolyysissä käytetään elektrolyysikennoa, jossa on vesipohjainen lipeäliuos, jonka KOH- tai NaOH-pitoisuus on yleensä 20%–40%. Sähköenergiaa syötetään kahdelle elektrodille.
Elektrodikatalyyttejä voidaan käyttää reaktionopeuden lisäämiseen. Esimerkiksi Pt-elektrodit ovat edullisia, sillä reaktio tapahtuu helpommin.
Tieteelliset tutkimusartikkelit raportoivat 10%–25%:n energiansäästöstä käytettäessä ultraäänellä tehostettua veden elektrolyysiä.

Ultraäänielektrolyysilaitteet vedyn tuotantoon pilotointi- ja teollisuusmittakaavassa

Yrityksen Hielscher Ultrasonics teolliset ultraääniprosessorit on rakennettu toimimaan 24/7/365 täydellä kuormalla ja vaativissa prosesseissa.
Toimittamalla kestäviä ultraäänijärjestelmiä, erityisesti suunniteltuja sonotrodeja (ultraäänikärkiä), jotka toimivat samanaikaisesti elektrodeina ja ultraääniaaltojen lähettiminä, sekä elektrolyysireaktoreita Hielscher Ultrasonics vastaa elektrolyyttisen vedyn tuotannon erityisvaatimuksiin. Kaikki UIP-sarjan digitaaliset teolliset ultraäänilaitteet (UIP500hdT (500 wattia), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) ja UIP4000hdT (4kW)) ovat tehokkaita ultraääniyksiköitä elektrolyysisovelluksiin.

Alla oleva taulukko antaa yleiskuvan ultraäänilaitteistamme ja ultraäänielektrodeistamme sähkökemialliseen H₂-tuotantoon – tutkimuslaboratoriosta tuotantoon: