Production efficace d'hydrogène à l'aide des ultrasons

L'hydrogène est un carburant alternatif qui est préférable en raison de son caractère écologique et de l'absence d'émission de dioxyde de carbone. Cependant, la production d'hydrogène conventionnelle n'est pas efficace pour une production de masse économique. L'électrolyse de l'eau et des solutions aqueuses alcalines, favorisée par les ultrasons, permet d'obtenir des rendements d'hydrogène, une vitesse de réaction et une vitesse de conversion plus élevés. L'électrolyse assistée par ultrasons rend la production d'hydrogène économique et efficace sur le plan énergétique.
Les réactions électrochimiques favorisées par les ultrasons, telles que l'électrolyse et l'électrocoagulation, montrent une amélioration de la vitesse, de la cadence et du rendement des réactions.

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. – la – Les liaisons H par électrolyse, un courant électrique passe dans 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.

Cette vidéo illustre l'influence positive des ultrasons à électrode directe sur le courant électrique. Elle utilise un homogénéisateur à ultrasons Hielscher UP100H (100 Watts, 30kHz) avec une amélioration électrochimique et une électrode/sonotrode en titane. L'électrolyse de l'acide sulfurique dilué produit de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux. L'ultrasonication réduit l'épaisseur de la couche de diffusion à la surface de l'électrode et améliore le transfert de masse pendant l'électrolyse.

Sono-électro-chimie - Illustration de l'influence des ultrasons sur l'électrolyse en discontinu

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La synthèse électrochimique par ultrasons est une méthode très efficace pour la production d'hydrogène. Le traitement électrochimique par ultrasons favorise le clivage des liaisons H - O - H par électrolyse, un courant électrique traversant l'eau.

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 à ultrasons.

Production sono-électrochimique d'hydrogène à une cathode à ultrasons.

 

Cette vidéo illustre l'influence positive des ultrasons à électrode directe sur le courant électrique dans une installation d'électrolyseur H-Cell. Elle utilise un homogénéisateur à ultrasons Hielscher UP100H (100 Watts, 30kHz) avec une amélioration électrochimique et une électrode/sonotrode en titane. L'électrolyse de l'acide sulfurique dilué produit de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux. L'ultrasonication réduit l'épaisseur de la couche de diffusion à la surface de l'électrode et améliore le transfert de masse pendant l'électrolyse.

Sono-électro-chimie - Illustration de l'influence des ultrasons sur l'électrolyse des cellules H

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Synthèse ultrasonique de l'hydrogène

Lorsque de l'hydrogène gazeux est produit dans une réaction électrolytique, l'hydrogène est synthétisé au 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 nucléarisent à la surface de l'électrode, de sorte que des bulles d'hydrogène gazeux sont ensuite présentes autour de la cathode. L'utilisation d'électrodes ultrasoniques améliore les impédances d'activité et l'impédance de concentration et accélère la montée des bulles d'hydrogène pendant l'électrolyse de l'eau. Plusieurs études ont démontré que la production d'hydrogène par ultrasons augmente efficacement le rendement de l'hydrogène.

 
Les avantages des ultrasons sur l'électrolyse de l'hydrogène

  • Des rendements d'hydrogène plus élevés
  • Amélioration de l'efficacité énergétique

comme le montre l'échographie :

  • augmentation de transfert de masse
  • Réduction accélérée de l'impédance accumulée
  • Chute de tension ohmique réduite
  • Réduction de la surtension 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

  • Éliminer les dépôts à la surface des électrodes
  • Activation de la surface des électrodes
  • 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 essentiels qui influencent la vitesse de réaction, la vitesse 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 vers 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 ultrasonores éliminent les couches de passivation des surfaces 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.

Chute de tension ohmique inférieure, surtension de réaction et potentiel de décomposition

La tension nécessaire à l'électrolyse 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 ultrasonore, l'écartement des électrodes et la concentration des électrolytes sont des facteurs clés qui ont un impact sur l'électrolyse de l'eau et son efficacité.
Pour une électrolyse alcaline, on utilise une cellule d'électrolyse avec une solution aqueuse caustique de 20 à 40 % de KOH ou de NaOH. L'énergie électrique est appliquée à deux électrodes.
Des catalyseurs à électrodes peuvent être utilisés pour accélérer la vitesse de réaction. Par exemple, les électrodes en 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 ultrasoniques pour la production d'hydrogène à l'échelle pilote et industrielle

Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs industriels à ultrasons sont construits pour fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et 365 jours par an à pleine charge et dans des conditions de travail difficiles.
En fournissant des systèmes ultrasoniques robustes, des sonotrodes (sondes) spécialement conçues, qui fonctionnent à la fois comme électrode et émetteur d'ondes ultrasonores, et des réacteurs d'électrolyse, Hielscher Ultrasons répond aux exigences spécifiques de la production d'hydrogène électrolytique. Tous les ultrasonateurs industriels numériques de la série UIP (UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), et UIP4000hdT (4kW)) sont des unités ultrasoniques à haute performance pour les applications d'électrolyse.

La sonde ultrasonique de l'ultrasoniseur haute performance UIP2000hdT fonctionne comme une anode. Le champ ultrasonique appliqué favorise l'électrolyse de l'hydrogène.

Sonde à ultrasons de l'UIP2000hdT fonctionne comme une 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 ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
0.02 à 5L 00,05 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 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000hdT

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Les homogénéisateurs ultrasoniques à haut cisaillement sont utilisés en laboratoire, sur table, dans le cadre de projets pilotes et dans l'industrie.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs ultrasoniques à haute performance pour des 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 portant le symbole H et le 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 ensemble et deviennent une molécule d'hydrogène. H2 est également appelé hydrogène moléculaire et est une molécule diatomique et homonucléaire. Il est constitué de deux protons et de deux électrons. Ayant une charge neutre, l'hydrogène moléculaire est stable et donc la forme d'hydrogène la plus courante.

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

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