અલ્ટ્રાસોનિક્સ સાથે કાર્યક્ષમ હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન
હાઇડ્રોજન એ વૈકલ્પિક બળતણ છે જે તેની પર્યાવરણીય-મિત્રતા અને શૂન્ય કાર્બન ડાયોક્સાઇડ ઉત્સર્જનને કારણે પ્રાધાન્યક્ષમ છે. જો કે, પરંપરાગત હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન આર્થિક મોટા પ્રમાણમાં ઉત્પાદન માટે કાર્યક્ષમ નથી. પાણી અને આલ્કલાઇન વોટર સોલ્યુશન્સનું અલ્ટ્રાસોનિકલી પ્રમોટેડ વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ ઉચ્ચ હાઇડ્રોજન ઉપજ, પ્રતિક્રિયા દર અને રૂપાંતરણ ઝડપમાં પરિણમે છે. અલ્ટ્રાસોનિકલી આસિસ્ટેડ વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનને આર્થિક અને ઊર્જા કાર્યક્ષમ બનાવે છે.
અલ્ટ્રાસોનિકલી પ્રોત્સાહિત ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓ જેમ કે ઇલેક્ટ્રોલિસિસ અને ઇલેક્ટ્રોકોએગ્યુલેશન સુધારેલ પ્રતિક્રિયા ગતિ, દર અને ઉપજ દર્શાવે છે.
Sonication સાથે કાર્યક્ષમ હાઇડ્રોજન જનરેશન
હાઇડ્રોજન જનરેશનના હેતુ માટે પાણી અને જલીય દ્રાવણનું વિદ્યુત વિચ્છેદન એ સ્વચ્છ ઊર્જાના ઉત્પાદન માટે આશાસ્પદ પ્રક્રિયા છે. પાણીનું વિદ્યુત વિચ્છેદન એ એક વિદ્યુત રાસાયણિક પ્રક્રિયા છે જેમાં પાણીને હાઇડ્રોજન (H2) અને ઓક્સિજન (O2) એમ બે વાયુઓમાં વિભાજીત કરવા માટે વીજળીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. એચ.ને સાફ કરવા માટે – ઓ – વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દ્વારા એચ બોન્ડ, વિદ્યુત પ્રવાહ પાણી દ્વારા ચલાવવામાં આવે છે.
ઇલેક્ટ્રોલિટીક પ્રતિક્રિયા માટે, અન્ય મુજબની બિન-સ્વયંસ્ફુરિત પ્રતિક્રિયા શરૂ કરવા માટે સીધી ઇલેક્ટ્રિક ચલણ લાગુ કરવામાં આવે છે. વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ શૂન્ય CO2 ઉત્સર્જન સાથે સરળ, પર્યાવરણ-મૈત્રીપૂર્ણ, લીલી પ્રક્રિયામાં ઉચ્ચ શુદ્ધતાનો હાઇડ્રોજન પેદા કરી શકે છે કારણ કે O2 એ એકમાત્ર આડપેદાશ છે.
પ્રોબ્સ સાથે મોડેલ UIP2000hdT ના 2x અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સ, જે ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે કામ કરે છે, એટલે કે કેથોડ અને એનોડ. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ કંપન અને પોલાણ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનને પ્રોત્સાહન આપે છે.
પાણીના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ અંગે, પાણીનું ઓક્સિજન અને હાઇડ્રોજનમાં વિભાજન પાણીમાંથી વિદ્યુત પ્રવાહ પસાર કરીને પ્રાપ્ત થાય છે.
નકારાત્મક રીતે ચાર્જ કરેલ કેથોડ પર શુદ્ધ પાણીમાં, ઘટાડો પ્રતિક્રિયા થાય છે જ્યાં કેથોડમાંથી ઇલેક્ટ્રોન (e−) હાઇડ્રોજન કેશનને દાન કરવામાં આવે છે જેથી હાઇડ્રોજન ગેસ બને છે. હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ એનોડ પર, ઓક્સિડેશન પ્રતિક્રિયા થાય છે, જે એનોડને ઇલેક્ટ્રોન આપતી વખતે ઓક્સિજન ગેસ ઉત્પન્ન કરે છે. આનો અર્થ એ છે કે, પાણી એનોડ પર પ્રતિક્રિયા આપે છે જેથી ઓક્સિજન અને હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ હાઇડ્રોજન આયનો (પ્રોટોન) બને. આ રીતે ઊર્જા સંતુલનનું નીચેનું સમીકરણ પૂર્ણ થાય છે:
2એચ+ (aq) + 2e– → એચ2 (જી) (કેથોડમાં ઘટાડો)
2એચ2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (એનોડ પર ઓક્સિડેશન)
એકંદર પ્રતિક્રિયા: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (જી)
ઘણીવાર, હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવા માટે વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ માટે આલ્કલાઇન પાણીનો ઉપયોગ થાય છે. આલ્કલી ક્ષાર એ આલ્કલી ધાતુઓ અને આલ્કલાઇન પૃથ્વી ધાતુઓના દ્રાવ્ય હાઇડ્રોક્સાઇડ છે, જેમાંથી સામાન્ય ઉદાહરણો છે: સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (NaOH, જે કોસ્ટિક સોડા તરીકે પણ ઓળખાય છે) અને પોટેશિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (KOH, કોસ્ટિક પોટાશ તરીકે પણ ઓળખાય છે). ઈલેક્ટ્રોલિસિસ માટે, મુખ્યત્વે 20% થી 40% કોસ્ટિક સોલ્યુશનની સાંદ્રતાનો ઉપયોગ થાય છે.
અલ્ટ્રાસોનિક કેથોડ પર હાઇડ્રોજનનું સોનો-ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઉત્પાદન.
હાઇડ્રોજનનું અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ
જ્યારે હાઇડ્રોજન ગેસ ઇલેક્ટ્રોલિટીક પ્રતિક્રિયામાં ઉત્પન્ન થાય છે, ત્યારે હાઇડ્રોજનને વિઘટન સંભવિત પર જ સંશ્લેષણ કરવામાં આવે છે. ઇલેક્ટ્રોડની સપાટી એ વિસ્તાર છે, જ્યાં ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયા દરમિયાન પરમાણુ તબક્કામાં હાઇડ્રોજનની રચના થાય છે. હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ ઇલેક્ટ્રોડ સપાટી પર ન્યુક્લિએટ કરે છે, જેથી પછીથી હાઇડ્રોજન ગેસ પરપોટા કેથોડની આસપાસ હાજર હોય છે. અલ્ટ્રાસોનિક ઇલેક્ટ્રોડ્સનો ઉપયોગ પ્રવૃત્તિ અવરોધ અને એકાગ્રતા અવબાધને સુધારે છે અને પાણીના વિદ્યુત વિચ્છેદન દરમિયાન હાઇડ્રોજન પરપોટાના ઉદયને વેગ આપે છે. કેટલાક અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે અલ્ટ્રાસોનિક હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન હાઇડ્રોજનની ઉપજને અસરકારક રીતે વધારે છે.
હાઇડ્રોજન ઇલેક્ટ્રોલિસિસ પર અલ્ટ્રાસોનિક્સના ફાયદા
- ઉચ્ચ હાઇડ્રોજન ઉપજ
- સુધારેલ ઊર્જા કાર્યક્ષમતા
અલ્ટ્રાસાઉન્ડના પરિણામે:
- માસ ટ્રાન્સફરમાં વધારો
- સંચિત અવબાધનો ઝડપી ઘટાડો
- ઘટાડો ઓહ્મિક વોલ્ટેજ ડ્રોપ
- અતિસંભવિત પ્રતિક્રિયામાં ઘટાડો
- ઘટાડો વિઘટન સંભવિત
- પાણી / જલીય દ્રાવણનું ડીગાસિંગ
- ઇલેક્ટ્રોડ ઉત્પ્રેરકની સફાઈ
ઇલેક્ટ્રોલિસિસ પર અલ્ટ્રાસોનિક અસરો
અલ્ટ્રાસોનિકલી ઉત્તેજિત વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણને સોનો-ઇલેક્ટ્રોલિસિસ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. સોનોમિકેનિકલ અને સોનોકેમિકલ પ્રકૃતિના વિવિધ અલ્ટ્રાસોનિક પરિબળો ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓને પ્રભાવિત કરે છે અને પ્રોત્સાહન આપે છે. આ વિદ્યુત વિચ્છેદન-પ્રભાવિત પરિબળો અલ્ટ્રાસાઉન્ડ-પ્રેરિત પોલાણ અને કંપનનું પરિણામ છે અને તેમાં એકોસ્ટિક સ્ટ્રીમિંગ, માઇક્રો-ટર્બ્યુલન્સ, માઇક્રોજેટ્સ, આંચકા તરંગો તેમજ સોનોકેમિકલ અસરોનો સમાવેશ થાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક / એકોસ્ટિક પોલાણ થાય છે, જ્યારે ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગો પ્રવાહીમાં જોડાય છે. પોલાણની ઘટના કહેવાતા પોલાણ પરપોટાના વિકાસ અને પતન દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. બબલ ઇમ્પ્લોઝન અતિ-તીવ્ર, સ્થાનિક રીતે બનતા દળો દ્વારા ચિહ્નિત થયેલ છે. આ દળોમાં 5000K સુધીની તીવ્ર સ્થાનિક ગરમી, 1000 atm સુધીનું ઉચ્ચ દબાણ અને પ્રચંડ ગરમી અને ઠંડક દર (>100k/sec) શામેલ છે અને તે પદાર્થ અને ઊર્જા વચ્ચે એક અનન્ય ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઉશ્કેરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, તે પોલાણ દળો પાણીમાં હાઇડ્રોજન બંધનને અસર કરે છે અને પાણીના ક્લસ્ટરોના વિભાજનને સરળ બનાવે છે જે પછીથી વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ માટે ઓછી ઉર્જા વપરાશમાં પરિણમે છે.
ઇલેક્ટ્રોડ્સ પર અલ્ટ્રાસોનિક અસર
- ઇલેક્ટ્રોડ સપાટી પરથી થાપણો દૂર
- ઇલેક્ટ્રોડ સપાટીનું સક્રિયકરણ
- ઇલેક્ટ્રોડ તરફ અને દૂર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનું પરિવહન
અલ્ટ્રાસોનિક સફાઈ અને ઇલેક્ટ્રોડ સપાટીઓનું સક્રિયકરણ
માસ ટ્રાન્સફર એ પ્રતિક્રિયા દર, ઝડપ અને ઉપજને પ્રભાવિત કરતા નિર્ણાયક પરિબળોમાંનું એક છે. ઇલેક્ટ્રોલિટીક પ્રતિક્રિયાઓ દરમિયાન, પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદન, દા.ત. અવક્ષેપ, આસપાસ તેમજ સીધા ઇલેક્ટ્રોડ સપાટી પર એકઠા થાય છે અને ઇલેક્ટ્રોડમાં તાજા દ્રાવણના ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક રૂપાંતરણને ધીમો પાડે છે. અલ્ટ્રાસોનિકલી પ્રમોટેડ ઇલેક્ટ્રોલિટીક પ્રક્રિયાઓ બલ્ક સોલ્યુશનમાં અને સપાટીની નજીકમાં વધેલા માસ ટ્રાન્સફર દર્શાવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક વાઇબ્રેશન અને પોલાણ ઇલેક્ટ્રોડ સપાટીઓમાંથી પેસિવેશન સ્તરોને દૂર કરે છે અને ત્યાંથી તેમને કાયમ માટે સંપૂર્ણ કાર્યક્ષમ રાખે છે. વધુમાં, સોનિફિકેશન સોનોકેમિકલ અસરો દ્વારા પ્રતિક્રિયાના માર્ગોને વધારવા માટે જાણીતું છે.
લોઅર ઓહ્મિક વોલ્ટેજ ડ્રોપ, રિએક્શન ઓવરપોટેન્શિયલ અને વિઘટન સંભવિત
વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ માટે જરૂરી વોલ્ટેજ વિઘટન સંભવિત તરીકે ઓળખાય છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ પ્રક્રિયાઓમાં જરૂરી વિઘટન સંભવિત ઘટાડી શકે છે.
અલ્ટ્રાસોનિક ઇલેક્ટ્રોલિસિસ સેલ
પાણીના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ માટે, અલ્ટ્રાસોનિક ઉર્જા ઇનપુટ, ઇલેક્ટ્રોડ ગેપ અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાંદ્રતા એ મુખ્ય પરિબળો છે જે પાણીના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ અને તેની કાર્યક્ષમતાને અસર કરે છે.
આલ્કલાઇન વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ માટે, સામાન્ય રીતે 20%–40% KOH અથવા NaOH ના જલીય કોસ્ટિક દ્રાવણ સાથે વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ કોષનો ઉપયોગ થાય છે. ઇલેક્ટ્રિક ઊર્જા બે ઇલેક્ટ્રોડ પર લાગુ થાય છે.
પ્રતિક્રિયા ગતિને વેગ આપવા માટે ઇલેક્ટ્રોડ ઉત્પ્રેરકનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. દાખલા તરીકે, Pt ઇલેક્ટ્રોડ્સ અનુકૂળ છે કારણ કે પ્રતિક્રિયા વધુ સરળતાથી થાય છે.
વૈજ્ઞાનિક સંશોધન લેખો પાણીના અલ્ટ્રાસોનિકલી-પ્રમોટેડ વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણનો ઉપયોગ કરીને 10%-25% ઊર્જા બચતની જાણ કરે છે.
પાયલોટ અને ઔદ્યોગિક સ્કેલ પર હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન માટે અલ્ટ્રાસોનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર
Hielscher Ultrasonics’ ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સ 24/7/365 ઓપરેશન માટે સંપૂર્ણ લોડ હેઠળ અને હેવી ડ્યુટી પ્રક્રિયાઓમાં બનાવવામાં આવે છે.
મજબૂત અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમ્સ, ખાસ ડિઝાઇન કરેલ સોનોટ્રોડ્સ (પ્રોબ્સ), જે એક જ સમયે ઇલેક્ટ્રોડ અને અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વેવ ટ્રાન્સમીટર અને ઇલેક્ટ્રોલિસિસ રિએક્ટર તરીકે કાર્ય કરે છે, તે સપ્લાય કરીને, Hielscher Ultrasonics ઇલેક્ટ્રોલિટીક હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન માટેની ચોક્કસ જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરે છે. UIP શ્રેણીના તમામ ડિજિટલ ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ (UIP500hdT (500 વોટ), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1.5kW), UIP2000hdT (2kW), અને UIP4000hdT (4kW)) વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ એપ્લિકેશનો માટે ઉચ્ચ-પ્રદર્શન અલ્ટ્રાસોનિક એકમો છે.
UIP2000hdT ની અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ એનોડ તરીકે કાર્ય કરે છે. લાગુ અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો હાઇડ્રોજનના ઇલેક્ટ્રોલિટીક સંશ્લેષણને તીવ્ર બનાવે છે.
નીચે આપેલ કોષ્ટક તમને અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સની અંદાજિત પ્રોસેસિંગ ક્ષમતાનો સંકેત આપે છે:
| બેચ વોલ્યુમ | પ્રવાહ દર | ભલામણ કરેલ ઉપકરણો |
|---|---|---|
| 0.02 થી 5L | 0.05 થી 1L/મિનિટ | UIP500hdT |
| 0.05 થી 10L | 0.1 થી 2L/મિનિટ | UIP1000hdT |
| 0.07 થી 15 એલ | 0.15 થી 3L/મિનિટ | UIP1500hdT |
| 0.1 થી 20L | 0.2 થી 4L/મિનિટ | UIP2000hdT |
| 10 થી 100 લિ | 2 થી 10L/મિનિટ | UIP4000hdT |
અમારો સંપર્ક કરો! / અમને પૂછો!
Hielscher Ultrasonics લેબ, પાયલોટ અને ઔદ્યોગિક સ્કેલ પર મિશ્રણ એપ્લિકેશન, વિક્ષેપ, ઇમલ્સિફિકેશન અને નિષ્કર્ષણ માટે ઉચ્ચ-પ્રદર્શન અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજેનાઇઝર્સનું ઉત્પાદન કરે છે.
જાણવા લાયક હકીકતો
હાઇડ્રોજન શું છે?
હાઇડ્રોજન એ પ્રતીક H અને અણુ ક્રમાંક 1 સાથેનું રાસાયણિક તત્વ છે. 1.008 ના પ્રમાણભૂત અણુ વજન સાથે, હાઇડ્રોજન સામયિક કોષ્ટકમાં સૌથી હલકો તત્વ છે. હાઇડ્રોજન એ બ્રહ્માંડમાં સૌથી વધુ વિપુલ પ્રમાણમાં રાસાયણિક પદાર્થ છે, જે તમામ બેરીયોનિક સમૂહના આશરે 75% ધરાવે છે. H2 એ એક ગેસ છે જે જ્યારે બે હાઇડ્રોજન અણુઓ એકસાથે બંધાય છે અને હાઇડ્રોજન પરમાણુ બને છે ત્યારે બને છે. H2 ને મોલેક્યુલર હાઇડ્રોજન પણ કહેવામાં આવે છે અને તે ડાયટોમિક, હોમોન્યુક્લિયર પરમાણુ છે. તે બે પ્રોટોન અને બે ઇલેક્ટ્રોન ધરાવે છે. તટસ્થ ચાર્જ ધરાવતું, મોલેક્યુલર હાઇડ્રોજન સ્થિર છે અને તેથી તે હાઇડ્રોજનનું સૌથી સામાન્ય સ્વરૂપ છે.
જ્યારે ઔદ્યોગિક ધોરણે હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન થાય છે, ત્યારે વરાળ સુધારણા કુદરતી ગેસ એ સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતું ઉત્પાદન સ્વરૂપ છે. વૈકલ્પિક પદ્ધતિ એ પાણીનું વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ છે. મોટાભાગના હાઇડ્રોજન તેના પછીના ઉપયોગની જગ્યા નજીક ઉત્પન્ન થાય છે, દા.ત., અશ્મિભૂત ઇંધણ પ્રક્રિયા સુવિધાઓ (દા.ત., હાઇડ્રોક્રેકીંગ) અને એમોનિયા આધારિત ખાતર ઉત્પાદકોની નજીક.
સાહિત્ય / સંદર્ભો
- 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.