અલ્ટ્રાસોનિક્સ વડે કાર્યક્ષમ હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન

હાઇડ્રોજન એક વૈકલ્પિક ઇંધણ છે, જે તેની પર્યાવરણમિત્રતા અને શૂન્ય કાર્બન ડાયોક્સાઇડ ઉત્સર્જનને કારણે વધુ પસંદગીયોગ્ય છે. જોકે, પરંપરાગત હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન આર્થિક રીતે મોટા પાયે ઉત્પાદન કરવા માટે કાર્યક્ષમ નથી. અલ્ટ્રાસોનિક્સથી પ્રોત્સાહિત પાણી અને ક્ષારીય જલીય દ્રાવણોના વિદ્યુતવિભાજનથી હાઇડ્રોજનની ઊપજ, પ્રતિક્રિયા દર અને રૂપાંતરણની ઝડપ વધે છે. અલ્ટ્રાસોનિક્સની સહાયથી થતું વિદ્યુતવિભાજન હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનને આર્થિક અને ઊર્જાકાર્યક્ષમ બનાવે છે.
અલ્ટ્રાસોનિક્સથી પ્રોત્સાહિત વિદ્યુતરાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ, જેમ કે વિદ્યુતવિભાજન અને વિદ્યુતસ્કંદન, પ્રતિક્રિયાની ઝડપ, દર અને ઊપજમાં સુધારો દર્શાવે છે.

અલ્ટ્રાસાઉન્ડ અને વિદ્યુતરસાયણશાસ્ત્રની શક્તિ વડે હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનને વેગ આપો

હાઇડ્રોજનની વધુ ઊપજ અને ઓછો ઊર્જાવપરાશ હાંસલ કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનની કાર્યક્ષમતાને વિદ્યુતરાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓની ચોકસાઈ સાથે જોડો. Hielscher ની અદ્યતન સોનો-વિદ્યુતરાસાયણિક પ્રણાલીઓ સાતત્યપૂર્ણ, ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા H₂ ઉત્પાદન માટે દળ સ્થાનાંતરણ વધારે છે, ઉત્પ્રેરકની સક્રિયતા સુધારે છે અને ઇલેક્ટ્રોડની સપાટીઓને શ્રેષ્ઠ બનાવે છે.
મુખ્ય લાભો:

• વધુ સારું દળ સ્થાનાંતરણ: અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો પ્રસરણ સ્તરની જાડાઈ ઘટાડે છે, જેથી ઇલેક્ટ્રોડ સુધી પ્રતિક્રિયકો કાર્યક્ષમ રીતે પહોંચે છે.
• ઉત્પ્રેરકની સુધારેલી સ્થિરતા: સોનિકેશન નેનોકણોના ગૂંચવણરૂપ એકત્રીકરણને અટકાવે છે, જેથી સમય જતાં પણ ઉચ્ચ ઉત્પ્રેરકીય સક્રિયતા જળવાઈ રહે છે.
• ઊર્જા કાર્યક્ષમતા: કેવિટેશનથી ઉત્પન્ન થતા સૂક્ષ્મ મિશ્રણ અને સપાટીની સફાઈનો ઉપયોગ કરીને ઊર્જા નિવેશને શ્રેષ્ઠ બનાવો.

સોનિકેશન વડે કાર્યક્ષમ હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન

હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવાના હેતુથી પાણી અને જલીય દ્રાવણોનું વિદ્યુતવિભાજન સ્વચ્છ ઊર્જાના ઉત્પાદન માટેની એક આશાસ્પદ પ્રક્રિયા છે. પાણીનું વિદ્યુતવિભાજન એક વિદ્યુતરાસાયણિક પ્રક્રિયા છે, જેમાં પાણીને બે વાયુઓ, એટલે કે હાઇડ્રોજન (H₂) અને ઑક્સિજન (O₂)માં વિભાજિત કરવા માટે વીજળીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. વિદ્યુતવિભાજન દ્વારા H – O – H બંધો તોડવા માટે પાણીમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર કરવામાં આવે છે.
વિદ્યુતવિભાજકીય પ્રતિક્રિયા માટે, જે પ્રતિક્રિયા અન્યથા સ્વયંસ્ફુરિત રીતે થતી નથી તેને શરૂ કરવા માટે એકદિશ વિદ્યુતપ્રવાહ લાગુ કરવામાં આવે છે. વિદ્યુતવિભાજન એક સરળ, પર્યાવરણમિત્ર, હરિત પ્રક્રિયામાં શૂન્ય CO₂ ઉત્સર્જન સાથે ઉચ્ચ શુદ્ધતાવાળો હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરી શકે છે, કારણ કે O₂ જ એકમાત્ર આડપેદાશ છે.
પાણીના વિદ્યુતવિભાજનમાં, પાણીમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર કરીને પાણીને ઑક્સિજન અને હાઇડ્રોજનમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે.
શુદ્ધ પાણીમાં ઋણ વિદ્યુતભાર ધરાવતા કેથોડ પર અપચય પ્રતિક્રિયા થાય છે, જેમાં કેથોડમાંથી ઇલેક્ટ્રોન (e−) હાઇડ્રોજન ધનાયનોને આપવામાં આવે છે, જેથી હાઇડ્રોજન વાયુ બને છે. ધન વિદ્યુતભાર ધરાવતા એનોડ પર ઑક્સિડેશન પ્રતિક્રિયા થાય છે, જે એનોડને ઇલેક્ટ્રોન આપતાં ઑક્સિજન વાયુ ઉત્પન્ન કરે છે. આનો અર્થ એ છે કે પાણી એનોડ પર પ્રતિક્રિયા કરીને ઑક્સિજન અને ધન વિદ્યુતભાર ધરાવતા હાઇડ્રોજન આયનો (પ્રોટોન) બનાવે છે. આ રીતે ઊર્જા સંતુલનનું નીચેનું સમીકરણ પૂર્ણ થાય છે:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (કેથોડ પર અપચય)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (એનોડ પર ઑક્સિડેશન)
એકંદર પ્રતિક્રિયા: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવા માટે વિદ્યુતવિભાજનમાં ઘણી વાર ક્ષારીય પાણીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ક્ષાર લવણો એ ક્ષાર ધાતુઓ અને આલ્કલાઇન અર્થ ધાતુઓના દ્રાવ્ય હાઇડ્રોક્સાઇડ છે, જેનાં સામાન્ય ઉદાહરણો છે: સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (NaOH, જે કોસ્ટિક સોડા તરીકે પણ ઓળખાય છે) અને પોટેશિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (KOH, જે કોસ્ટિક પોટાશ તરીકે પણ ઓળખાય છે). વિદ્યુતવિભાજન માટે મુખ્યત્વે 20% થી 40% સાંદ્રતાવાળા કોસ્ટિક દ્રાવણનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

હાઇડ્રોજનનું અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ

વિદ્યુતવિભાજકીય પ્રતિક્રિયામાં હાઇડ્રોજન વાયુ ઉત્પન્ન થાય છે ત્યારે હાઇડ્રોજનનું સંશ્લેષણ બરાબર વિઘટન વિભવ પર થાય છે. ઇલેક્ટ્રોડની સપાટી એ વિસ્તાર છે જ્યાં વિદ્યુતરાસાયણિક પ્રતિક્રિયા દરમિયાન આણ્વિક સ્તરે હાઇડ્રોજનનું નિર્માણ થાય છે. ઇલેક્ટ્રોડની સપાટી પર હાઇડ્રોજનના અણુઓનું કેન્દ્રકન થાય છે, જેથી ત્યારબાદ કેથોડની આસપાસ હાઇડ્રોજન વાયુના પરપોટા હાજર હોય છે. અલ્ટ્રાસોનિક ઇલેક્ટ્રોડનો ઉપયોગ સક્રિયતા પ્રતિબાધાઓ અને સાંદ્રતા પ્રતિબાધામાં સુધારો કરે છે અને પાણીના વિદ્યુતવિભાજન દરમિયાન હાઇડ્રોજનના પરપોટાના ઉપર આવવાની ગતિ વધારે છે. અનેક અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે અલ્ટ્રાસોનિક હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન હાઇડ્રોજનની ઉપજ કાર્યક્ષમ રીતે વધારે છે.

વિદ્યુતવિભાજન પર અલ્ટ્રાસોનિક અસરો

અલ્ટ્રાસોનિક રીતે ઉત્તેજિત વિદ્યુતવિભાજનને સોનો-વિદ્યુતવિભાજન તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. સોનો-યાંત્રિક અને સોનો-રાસાયણિક પ્રકૃતિનાં વિવિધ અલ્ટ્રાસોનિક પરિબળો વિદ્યુતરાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને પ્રભાવિત કરે છે અને પ્રોત્સાહન આપે છે.

1. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગો પરપોટા બનાવે છે
2. પરપોટા તૂટી પડે છે
3. અતિશય ગરમી પાણીના અણુઓનું વિભાજન કરે છે

વિદ્યુતવિભાજનને પ્રભાવિત કરતાં પરિબળો અલ્ટ્રાસાઉન્ડથી પ્રેરિત કેવિટેશન અને કંપનનાં પરિણામો છે અને તેમાં ધ્વનિક પ્રવાહ, સૂક્ષ્મ તોફાની પ્રવાહો, સૂક્ષ્મ જેટ, આઘાત તરંગો તેમજ સોનો-રાસાયણિક અસરોનો સમાવેશ થાય છે. જ્યારે ઉચ્ચ તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગોની ઊર્જા પ્રવાહીમાં સંયોજિત કરવામાં આવે છે ત્યારે અલ્ટ્રાસોનિક / ધ્વનિક કેવિટેશન થાય છે. કેવિટેશન તરીકે ઓળખાતા પરપોટાની વૃદ્ધિ અને તેમના તૂટી પડવાની પ્રક્રિયા કેવિટેશનની ઘટનાની લાક્ષણિકતા છે. પરપોટાના અંદરની તરફ ધસી પડવામાં સ્થાનિક રીતે ઉદ્ભવતાં અતિપ્રચંડ બળો જોવા મળે છે. આ બળોમાં 5000K સુધીનું તીવ્ર સ્થાનિક તાપન, 1000 atm સુધીનું ઉચ્ચ દબાણ અને તાપન તથા શીતલનના અત્યંત ઊંચા દર (>100k/sec) સામેલ છે અને તે દ્રવ્ય અને ઊર્જા વચ્ચે અનન્ય આંતરક્રિયા સર્જે છે. ઉદાહરણ તરીકે, આ કેવિટેશનજન્ય બળો પાણીમાંના હાઇડ્રોજન બંધોને અસર કરે છે અને પાણીના અણુસમૂહોના વિભાજનને સરળ બનાવે છે, જેના પરિણામે વિદ્યુતવિભાજન માટેનો ઊર્જા વપરાશ ઘટે છે.
 
ઇલેક્ટ્રોડ પર અલ્ટ્રાસોનિક અસર

• ઇલેક્ટ્રોડની સપાટી પરથી જમાવટ દૂર કરવી
• 
ઇલેક્ટ્રોડની સપાટીનું સક્રિયકરણ
• ઇલેક્ટ્રોડ તરફ અને તેનાથી દૂર વિદ્યુતવિભાજ્યોનું વહન

ઇલેક્ટ્રોડની સપાટીઓની અલ્ટ્રાસોનિક સફાઈ અને સક્રિયકરણ

દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણ એ પ્રતિક્રિયાના દર, ગતિ અને ઉપજને પ્રભાવિત કરતાં નિર્ણાયક પરિબળોમાંનું એક છે. વિદ્યુતવિભાજકીય પ્રતિક્રિયાઓ દરમિયાન પ્રતિક્રિયાની નીપજો, દા.ત. અવક્ષેપો, ઇલેક્ટ્રોડની સપાટીઓની આસપાસ તેમજ સીધી સપાટીઓ પર એકઠાં થાય છે અને ઇલેક્ટ્રોડ પર તાજા દ્રાવણના વિદ્યુતવિભાજકીય રૂપાંતરણને ધીમું કરે છે. અલ્ટ્રાસોનિક રીતે પ્રોત્સાહિત વિદ્યુતવિભાજકીય પ્રક્રિયાઓમાં દ્રાવણના મુખ્ય જથ્થામાં અને સપાટીઓની નજીક દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણમાં વધારો જોવા મળે છે. અલ્ટ્રાસોનિક કંપન અને કેવિટેશન ઇલેક્ટ્રોડની સપાટીઓ પરથી નિષ્ક્રિયકરણનાં સ્તરો દૂર કરે છે અને આમ તેમને કાયમી ધોરણે સંપૂર્ણ કાર્યક્ષમ રાખે છે. વધુમાં, સોનિકેશન સોનો-રાસાયણિક અસરો દ્વારા પ્રતિક્રિયાના માર્ગોને વધુ અસરકારક બનાવે છે તે જાણીતું છે.

ઓહ્મીય વોલ્ટેજ પાત, પ્રતિક્રિયાનો અતિવિભવ અને વિઘટન વિભવ ઘટાડો

વિદ્યુતવિભાજન થવા માટે જરૂરી વોલ્ટેજને વિઘટન વિભવ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વિદ્યુતવિભાજન પ્રક્રિયાઓમાં જરૂરી વિઘટન વિભવ ઘટાડી શકે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક વિદ્યુતવિભાજન કોષ

પાણીના વિદ્યુતવિભાજન માટે અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જાનું નિવેશન, ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચેનું અંતર અને વિદ્યુતવિભાજ્યની સાંદ્રતા એ પાણીના વિદ્યુતવિભાજન અને તેની કાર્યક્ષમતાને પ્રભાવિત કરતાં મુખ્ય પરિબળો છે.
આલ્કલાઇન વિદ્યુતવિભાજન માટે સામાન્ય રીતે 20%–40% KOH અથવા NaOHના જલીય કોસ્ટિક દ્રાવણ ધરાવતા વિદ્યુતવિભાજન કોષનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. બે ઇલેક્ટ્રોડને વિદ્યુત ઊર્જા પૂરી પાડવામાં આવે છે.
પ્રતિક્રિયાની ગતિ વધારવા માટે ઇલેક્ટ્રોડ ઉત્પ્રેરકોનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, Pt ઇલેક્ટ્રોડ અનુકૂળ છે, કારણ કે પ્રતિક્રિયા વધુ સરળતાથી થાય છે.
વૈજ્ઞાનિક સંશોધન લેખો પાણીના અલ્ટ્રાસોનિક રીતે પ્રોત્સાહિત વિદ્યુતવિભાજનનો ઉપયોગ કરવાથી 10%-25% ઊર્જા બચત થતી હોવાનું જણાવે છે.

પાયલોટ અને ઔદ્યોગિક સ્તરે હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન માટે અલ્ટ્રાસોનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇઝરો

Hielscher Ultrasonicsના ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો સંપૂર્ણ ભાર હેઠળ અને ભારે કામગીરીવાળી પ્રક્રિયાઓમાં 24/7/365 સંચાલન માટે બનાવવામાં આવ્યા છે.
મજબૂત અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમો, એકસાથે ઇલેક્ટ્રોડ અને અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગોના પ્રસારક તરીકે કાર્ય કરતા ખાસ રચાયેલ સોનોટ્રોડ્સ (પ્રોબ્સ), અને વિદ્યુતવિભાજન રિએક્ટરો પૂરા પાડીને, Hielscher Ultrasonics વિદ્યુતવિભાજન દ્વારા હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનની વિશિષ્ટ જરૂરિયાતો પૂરી કરે છે. UIP શ્રેણીના તમામ ડિજિટલ ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિકેટરો (UIP500hdT (500 વોટ), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1.5kW), UIP2000hdT (2kW), અને UIP4000hdT (4kW)) વિદ્યુતવિભાજનના ઉપયોગો માટે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક એકમો છે.

નીચેનું કોષ્ટક વિદ્યુતરાસાયણિક H₂ ઉત્પાદન માટેના અમારા સોનિકેટરો અને સોનો-ઇલેક્ટ્રોડ્સની ઝાંખી આપે છે – સંશોધન પ્રયોગશાળાથી લઈને ઉત્પાદન સુધી: