Tehokas vedyntuotanto ultraäänellä

Vety on vaihtoehtoinen polttoaine, joka on ympäristöystävällisyydestään ja hiilidioksidipäästöttömyydestään johtuen parempi. Tavanomainen vedyn tuotanto ei kuitenkaan ole tehokasta taloudellisen massatuotannon osalta. Ultraäänellä edistetty veden ja emäksisten vesiliukojen elektrolyysi johtaa suurempaan vetytuottoon, reaktionopeuteen ja muuntonopeuteen. Ultraäänellä avustettu elektrolyysi tekee vedyn tuotannosta taloudellista ja energiatehokasta.
Ultraäänellä edistetyt sähkökemialliset reaktiot, kuten elektrolyysi ja elektrokoagulaatio, osoittavat reaktionopeuden, -nopeuden ja -tuoton parantuneen.

Tehokas vedyntuotanto sonikaatiolla

Veden elektrolyysi ja vesiliuokset vedyn tuotantoa varten on lupaava prosessi puhtaan energian tuotannossa. Veden elektrolyysi on sähkökemiallinen prosessi, jossa sähköä käytetään veden jakamiseen kahdeksi kaasuksi eli vedyksi (H₂) ja happea (O₂). H:n halkaisun – O – H-sidokset elektrolyysillä, veden läpi kulkee sähkövirta.
Elektrolyyttistä reaktiota vastaan käytetään suoraa sähkövaluuttaa (DC), joka aloittaa muun viisaan ei-spontaanin reaktion. Elektrolyysi voi tuottaa erittäin puhdasta vetyä yksinkertaisessa, ympäristöystävällisessä, vihreässä prosessissa, jossa co ei ole₂ päästö o:na₂ on ainoa osatuote.

2x ultraääniprosessorit UIP2000hdT antureilla, jotka toimivat elektrodeina eli katodina ja anodina. Ultraäänikenttä voimistaa vedyn elektrolyyttistä synteesiä vedestä tai vesiliukoista.

Veden elektrolyysin osalta veden jakaminen hapeksi ja vedyksi saavutetaan kulkemalla sähkövirta veden läpi.
Puhtaassa vedessä negatiivisesti latautussa katodissa tapahtuu vähennysreaktio, jossa katodin elektronit (e−) lahjoitetaan vetykontaatioihin niin, että vetykaasu muodostuu. Positiivisesti täytetyssä anodissa tapahtuu hapettumisreaktio, joka tuottaa happikaasua ja antaa elektroneja anodille. Tämä tarkoittaa, että vesi reagoi anodissa muodostaen happea ja positiivisesti ladattuja vetyioneja (protoneja). Näin saadaan päätökseen seuraava energiataseen yhtälö:

2H(1)(1)⁺ (aq) + 2 e^– → H₂ g) (katodin pienentäminen)
2H(1)(1)₂O(l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4 e^– (hapettumista anodissa)
Kokonaisreaktio: 2H₂O(l) → 2H₂ g) + O₂ g) 10 artiklan 1 kohdan b alakohta

Usein emäksistä vettä käytetään elektrolyysiin vedyn tuottamiseksi. Alkalisuolat ovat alkalimetallien ja emäksisten maametallien liukoisia hydroksideja, joista yleisiä esimerkkejä ovat: Natriumhydroksidi (NaOH, tunnetaan myös nimellä “kaustinen sooda") ja kaliumhydroksidi (KOH, tunnetaan myös nimellä “syövyttävä potaska"). Eletkrolyysissä käytetään pääasiassa 20-40% syövyttävän liuoksen pitoisuuksia.

Vedyn ultraäänisynteesi

Kun vetykaasua tuotetaan elektrolyyttisessa reaktiossa, vety syntetisoidaan aivan hajoamispotentiaalin mukaan. Elektrodien pinta on alue, jossa vedyn muodostuminen tapahtuu molekyylivaiheessa sähkökemiallisen reaktion aikana. Vetymolekyylit nukleaavat elektrodin pinnalla niin, että katodin ympärillä on myöhemmin vetykaasukuplia. Ultraäänielektrodien käyttö parantaa aktiivisuus impedanssia ja pitoisuus impedanssia ja nopeuttaa vetykuplien nousua vesielektrolyysin aikana. Useat tutkimukset osoittivat, että ultraäänivedyn tuotanto lisää vedyn saantoa tehokkaasti.

Ultraäänivaikutukset elektrolyysiin

Ultraäänellä innostunut elektrolyysi tunnetaan myös nimellä sono-elektrolyysi. Erilaiset sonomekaanisen ja sonokemiallisen luonteen ultraäänitekijät vaikuttavat ja edistävät sähkökemiallisia reaktioita. Nämä elektrolyysiin vaikuttavat tekijät ovat ultraäänien aiheuttaman kavitaatio- ja värähtelyn tuloksia, ja niihin kuuluvat akustinen virtaus, mikroturbulenssit, mikrojetit, iskuaallot sekä sonokemialliset vaikutukset. Ultraääni / akustinen kavitaatio tapahtuu, kun korkean intensiteetin ultraääniaallot on yhdistetty nesteeksi. Kavitaatioilmiölle on ominaista niin sanottujen kavitaatiokuplien kasvu ja romahtaminen. Kuplan luhistumista leimaavat supervoimat, paikallisesti esiintyvät voimat. Näitä voimia ovat voimakas paikallinen lämmitys jopa 5000K, korkeat paineet jopa 1000 atm, ja valtavat lämmitys- ja jäähdytysnopeudet (>100k/s) ja ne aiheuttavat ainutlaatuisen vuorovaikutuksen aineen ja energian välillä. Esimerkiksi nämä kavitaatiovoimat eivät aktivoi vetysidäntyjä vedessä ja helpottavat vesiklusterien halkaisun, mikä johtaa elektrolyysin energiankulutuksen vähenemiseen.

Ultraäänivaikutus elektrodeihin

• Saksien poistaminen elektrodin pinnalta
• Elektrodin pinnan aktivointi
• Elektrolyyttien kuljettaminen elektrodeja kohti ja poispäin

Pintojen puhdistus ja aktivointi

Massasiirto on yksi ratkaisevista tekijöistä, jotka vaikuttavat reaktionopeuteen, nopeuteen ja tuottoon. Elektrolyyttisten reaktioiden aikana reaktiotuote, esim. Ultraäänellä edistetyt elektrolyyttiset prosessit osoittavat lisääntyneen massansiirron irtoliuoksessa ja pintojen lähellä. Ultraäänivärähtely ja kavitaatio poistavat passivaatiokerrokset elektrodipinnoille ja pitävät ne siten pysyvästi täysin tehokkaina. Lisäksi sonifikaatio tehostaa reaktioreittejä sonokemiallisten vaikutusten kautta.

Pienempi ohminen jännitteen pudotus, reaktion ylipotentiaali ja hajoamispotentiaali

Elektrolyysin jännitteenä kutsutaan hajoamispotentiaaliksi. Ultraääni voi vähentää tarvittavaa hajoamispotentiaalia elektrolyysiprosesseissa.

Ultraääni elektrolyysikenno

Vesielektrolyysissä ultraäänienergian syöttö, elektrodirako ja elektrolyyttipitoisuus ovat keskeisiä tekijöitä, jotka vaikuttavat vesielektrolyysiin ja sen tehokkuuteen.
Emäksiseen elektrolyysiin käytetään elektrolyysisolua, jonka vesinokkainen syövyttävä liuos on yleensä 20–40% KOH tai NaOH. Sähköenergiaa käytetään kahteen elektrodiin.
Elektrodikatalysaattoreita voidaan käyttää reaktionopeuden nopeuttamiseksi. Esimerkiksi Pt-elektrodit ovat suotuisia, koska reaktio tapahtuu helpommin.
Tieteelliset tutkimusartikkelit raportoivat 10-25% energiansäästöstä käyttämällä ultraäänellä edistettyä veden elektrolyysiä.

Ultraäänielektrolysaattorit vedyn tuotantoon pilotissa ja teollisessa mittakaavassa

Hielscher Ultrasonics’ teolliset ultraääniprosessorit on rakennettu 24/7/365-käyttöä varten täydellä kuormalla ja raskaissa prosesseissa.
Hielscher Ultrasonics palvelee elektrolyyttisen vedyn tuotannon erityisvaatimuksia toimittamalla vankkoja ultraäänijärjestelmiä, erityisiä suunniteltuja sonotrodeja (luotaimia), jotka toimivat samanaikaisesti elektrodina ja ultraääniaaltolähettimenä, sekä elektrolyysireaktoreita. Kaikki UIP-sarjan digitaaliset teolliset ultraäänisuojat (UIP500hdT (500 wattia), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2kW), ja UIP4000hdT (4kW)) ovat korkean suorituskyvyn ultraääniyksiköitä elektrolyysisovelluksiin.
Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: