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.

 
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.

 

 

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.

 

ઇલેક્ટ્રોલિસિસ પર અલ્ટ્રાસોનિક અસરો

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.
 
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.

નીચે આપેલ કોષ્ટક તમને અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સની અંદાજિત પ્રોસેસિંગ ક્ષમતાનો સંકેત આપે છે: