Production efficace d'hydrogène par ultrasons
L'hydrogène est un carburant alternatif préférable en raison de son respect de l'environnement et de l'absence d'émissions de dioxyde de carbone. Cependant, la production conventionnelle d'hydrogène n'est pas efficace pour une production de masse économique. L'électrolyse de l'eau et des solutions d'eau alcaline favorisée par les ultrasons permet d'obtenir des rendements d'hydrogène, des taux de réaction et des vitesses de conversion plus élevés. L'électrolyse assistée par ultrasons rend la production d'hydrogène économique et économe en énergie.
Les réactions électrochimiques favorisées par les ultrasons, telles que l'électrolyse et l'électrocoagulation, présentent une vitesse de réaction, un taux et des rendements améliorés.
Production efficace d'hydrogène par sonication
L'électrolyse de l'eau et des solutions aqueuses en vue de produire de l'hydrogène est un processus prometteur pour la production d'énergie propre. L'électrolyse de l'eau est un processus électrochimique dans lequel l'électricité est appliquée pour diviser l'eau en deux gaz, à savoir l'hydrogène (H2) et l'oxygène (O2). Pour séparer l'hydrogène (H2) de l'oxygène (O2), il faut que l'électricité soit appliquée à l'eau. – O – Les liaisons H par électrolyse, un courant électrique traverse l'eau.
Pour la réaction électrolytique, un courant électrique direct est appliqué pour déclencher une réaction qui, autrement, ne serait pas spontanée. L'électrolyse permet de produire de l'hydrogène d'une grande pureté dans le cadre d'un processus simple, respectueux de l'environnement et vert, sans émission de CO2, l'O2 étant le seul sous-produit.
2x processeurs à ultrasons du modèle UIP200hdT avec sondes, qui font office d'électrodes, c'est-à-dire de cathode et d'anode. La vibration et la cavitation des ultrasons favorisent la production électrochimique d'hydrogène.
En ce qui concerne l'électrolyse de l'eau, la séparation de l'eau en oxygène et en hydrogène est obtenue en faisant passer un courant électrique dans l'eau.
Dans l'eau pure, à la cathode chargée négativement, une réaction de réduction a lieu où les électrons (e-) de la cathode sont donnés aux cations d'hydrogène, ce qui forme de l'hydrogène gazeux. À l'anode chargée positivement, une réaction d'oxydation a lieu, qui génère de l'oxygène gazeux tout en donnant des électrons à l'anode. Cela signifie que l'eau réagit à l'anode pour former de l'oxygène et des ions hydrogène chargés positivement (protons). L'équation suivante du bilan énergétique est ainsi complétée :
2H+ (aq) + 2e– → H2 (g) (réduction à la cathode)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (oxydation à l'anode)
Réaction globale : 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
Souvent, l'eau alcaline est utilisée pour l'électrolyse afin de produire de l'hydrogène. Les sels alcalins sont des hydroxydes solubles de métaux alcalins et de métaux alcalino-terreux, dont les exemples les plus courants sont : l'hydroxyde de sodium (NaOH) et l'hydroxyde de potassium (KOH) : L'hydroxyde de sodium (NaOH, également connu sous le nom de soude caustique) et l'hydroxyde de potassium (KOH, également connu sous le nom de potasse caustique). Pour l'électrolyse, on utilise principalement des concentrations de 20 à 40 % de solution caustique.
Production sono-électrochimique d'hydrogène à une cathode ultrasonique.
Synthèse ultrasonique de l'hydrogène
Lorsque de l'hydrogène gazeux est produit lors d'une réaction électrolytique, l'hydrogène est synthétisé au niveau du potentiel de décomposition. La surface des électrodes est la zone où la formation d'hydrogène se produit au niveau moléculaire pendant la réaction électrochimique. Les molécules d'hydrogène se nucléent à la surface de l'électrode, de sorte que des bulles de gaz d'hydrogène sont ensuite présentes autour de la cathode. L'utilisation d'électrodes à ultrasons améliore les impédances d'activité et de concentration et accélère la formation de bulles d'hydrogène pendant l'électrolyse de l'eau. Plusieurs études ont démontré que la production d'hydrogène par ultrasons augmente efficacement les rendements en hydrogène.
Avantages des ultrasons pour l'électrolyse de l'hydrogène
- Des rendements d'hydrogène plus élevés
- Amélioration de l'efficacité énergétique
en tant qu'ultrasons :
- Augmentation du transfert de masse
- Réduction accélérée de l'impédance accumulée
- Chute de tension ohmique réduite
- Réduction du surpotentiel de réaction
- Potentiel de décomposition réduit
- Dégazage de l'eau / solution aqueuse
- Nettoyage des catalyseurs d'électrodes
Effets des ultrasons sur l'électrolyse
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.
Impact des ultrasons sur les électrodes
- Élimination des dépôts à la surface de l'électrode
- Activation de la surface de l'électrode
- Transport des électrolytes vers et à partir des électrodes
Nettoyage par ultrasons et activation des surfaces d'électrodes
Le transfert de masse est l'un des facteurs cruciaux qui influencent la vitesse de réaction, la rapidité et le rendement. Au cours des réactions électrolytiques, le produit de la réaction, par exemple les précipités, s'accumule autour et directement sur les surfaces des électrodes et ralentit la conversion électrolytique de la solution fraîche à l'électrode. Les processus électrolytiques favorisés par les ultrasons montrent un transfert de masse accru dans la solution en vrac et près des surfaces. Les vibrations et la cavitation ultrasoniques éliminent les couches de passivation de la surface des électrodes et les maintiennent ainsi en permanence à leur pleine efficacité. En outre, la sonification est connue pour améliorer les voies de réaction par des effets sonochimiques.
Diminution de la chute de tension ohmique, du potentiel de réaction et du potentiel de décomposition
La tension nécessaire pour que l'électrolyse se produise est connue sous le nom de potentiel de décomposition. Les ultrasons peuvent abaisser le potentiel de décomposition nécessaire dans les processus d'électrolyse.
Cellule d'électrolyse ultrasonique
Pour l'électrolyse de l'eau, l'apport d'énergie ultrasonique, l'écart entre les électrodes et la concentration de l'électrolyte sont des facteurs clés qui influencent l'électrolyse de l'eau et son efficacité.
Pour une électrolyse alcaline, on utilise une cellule d'électrolyse avec une solution caustique aqueuse contenant généralement 20 à 40 % de KOH ou de NaOH. L'énergie électrique est appliquée à deux électrodes.
Des catalyseurs d'électrodes peuvent être utilisés pour accélérer la vitesse de réaction. Par exemple, les électrodes de Pt sont favorables car la réaction se produit plus facilement.
Des articles de recherche scientifique font état d'une économie d'énergie de 10 à 25 % grâce à l'électrolyse de l'eau favorisée par les ultrasons.
Electrolyseurs à ultrasons pour la production d'hydrogène à l'échelle pilote et industrielle
Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs industriels à ultrasons sont conçus pour fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et 365 jours par an, à pleine charge et dans des conditions difficiles.
En fournissant des systèmes à ultrasons robustes, des sonotrodes (sondes) spécialement conçues, qui fonctionnent à la fois comme électrode et comme émetteur d'ondes ultrasonores, et des réacteurs d'électrolyse, Hielscher Ultrasonics répond aux exigences spécifiques de la production d'hydrogène par électrolyse. Tous les ultrasons industriels numériques de la série UIP (UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2kW), et UIP4000hdT (4kW)) sont des appareils à ultrasons très performants pour les applications d'électrolyse.
Sonde à ultrasons de l'UIP2000hdT fait office d'anode. Les ondes ultrasoniques appliquées intensifient la synthèse électrolytique de l'hydrogène.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
|---|---|---|
| 0.02 à 5L | 0.05 à 1L/min | UIP500hdT |
| 0.05 à 10L | 0.1 à 2L/min | UIP1000hdT |
| 0.07 à 15L | 0.15 à 3L/min | UIP1500hdT |
| 0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
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Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.
Qu'il faut savoir
Qu'est-ce que l'hydrogène ?
L'hydrogène est l'élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1. Avec un poids atomique standard de 1,008, l'hydrogène est l'élément le plus léger du tableau périodique. L'hydrogène est la substance chimique la plus abondante dans l'univers, constituant environ 75 % de toute la masse baryonique. H2 est un gaz qui se forme lorsque deux atomes d'hydrogène se lient et deviennent une molécule d'hydrogène. H2 est également appelé hydrogène moléculaire et est une molécule homonucléaire diatomique. Il se compose de deux protons et de deux électrons. De charge neutre, l'hydrogène moléculaire est stable et constitue donc la forme la plus courante d'hydrogène.
Lorsque l'hydrogène est produit à l'échelle industrielle, le reformage à la vapeur du gaz naturel est la forme de production la plus utilisée. L'électrolyse de l'eau est une autre méthode. La plupart de l'hydrogène est produit près du site de sa dernière utilisation, par exemple près des installations de traitement des combustibles fossiles (par exemple, hydrocraquage) et des producteurs d'engrais à base d'ammoniac.
Littérature / Références
- 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.