ייצור מימן יעיל עם אולטרסאונד

מימן הוא דלק חלופי שעדיף בשל ידידותיותו לסביבה ואפס פליטת פחמן דו חמצני. עם זאת, ייצור מימן קונבנציונלי אינו יעיל לייצור המוני חסכוני. האלקטרוליזה המקודמת באולטרסאונד של תמיסות מים ומים אלקליין גורמת לתפוקת מימן גבוהה יותר, קצב תגובה ומהירות המרה. אלקטרוליזה בסיוע אולטרה-סאונד הופכת את ייצור המימן לחסכוני וחסכוני באנרגיה.
תגובות אלקטרוכימיות המקודמות באולטרסאונד כגון אלקטרוליזה ואלקטרוקרישה מראות שיפור במהירות התגובה, בקצב ובתפוקות.

ייצור מימן יעיל עם סוניקציה

אלקטרוליזה של מים ותמיסות מימיות לצורך ייצור מימן היא תהליך מבטיח לייצור אנרגיה נקייה. אלקטרוליזה של מים היא תהליך אלקטרוכימי שבו חשמל מופעל כדי לפצל מים לשני גזים, כלומר מימן (H2) וחמצן (O2). כדי לבקע את ה-H – O – H נקשר על ידי אלקטרוליזה, זרם חשמלי עובר דרך המים.
עבור התגובה האלקטרוליטית, מטבע חשמלי ישיר מוחל כדי ליזום תגובה לא ספונטנית אחרת. אלקטרוליזה יכולה לייצר מימן בעל טוהר גבוה בתהליך פשוט, ידידותי לסביבה וירוק עם אפס פליטת CO2 מכיוון ש-O2 הוא תוצר הלוואי היחיד.

 
לגבי אלקטרוליזה של מים, פיצול המים לחמצן ומימן מושג על ידי העברת זרם חשמלי דרך המים.
במים טהורים בקתודה הטעונה שלילית, מתרחשת תגובת חיזור שבה אלקטרונים (e−) מהקתודה נתרמים לקטיונים של מימן כך שנוצר גז מימן. באנודה הטעונה חיובית, מתרחשת תגובת חמצון, המייצרת גז חמצן תוך מתן אלקטרונים לאנודה. משמעות הדבר היא שמים מגיבים באנודה ליצירת חמצן ויוני מימן טעונים חיובית (פרוטונים). בכך הושלמה המשוואה הבאה של מאזן האנרגיה:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (ז) (הפחתה בקתודה)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (חמצון באנודה)
תגובה כללית: 2H₂O (l) → 2H₂ (ז) + O₂ (ז)
 
לעתים קרובות, מים אלקליין משמש אלקטרוליזה על מנת לייצר מימן. מלחים אלקליים הם הידרוקסידים מסיסים של מתכות אלקליות ומתכות אדמה בסיסיות, אשר דוגמאות נפוצות מהן הן: נתרן הידרוקסידי (NaOH, הידוע גם בשם סודה קאוסטית) ואשלגן הידרוקסידי (KOH, הידוע גם בשם אשלג קאוסטי). עבור eletcrolysis, בעיקר ריכוזים של 20% עד 40% תמיסה קאוסטית משמשים.

 

 

סינתזה קולית של מימן

כאשר גז מימן מיוצר בתגובה אלקטרוליטית, המימן מסונתז ממש בפוטנציאל הפירוק. פני השטח של אלקטרודות הם האזור, שבו היווצרות מימן מתרחשת על השלב המולקולרי במהלך התגובה האלקטרוכימית. מולקולות המימן מתגלגלות על פני האלקטרודה, כך שלאחר מכן בועות גז מימן נמצאות סביב הקתודה. שימוש באלקטרודות על-קוליות משפר עכבות פעילות ועכבת ריכוז ומאיץ את עליית בועות המימן במהלך אלקטרוליזה של מים. מספר מחקרים הוכיחו כי ייצור מימן על-קולי מגדיל את תפוקת המימן ביעילות.

 

השפעות קוליות על אלקטרוליזה

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.
 
השפעה קולית על האלקטרודות

• הסרת משקעים משטח האלקטרודה
• הפעלת משטח האלקטרודה
• הובלת אלקטרוליטים לכיוון אלקטרודות והרחק מהן

 

ניקוי אולטראסוני והפעלה של משטחי אלקטרודות

העברת מסה היא אחד הגורמים המכריעים המשפיעים על קצב התגובה, המהירות והתפוקה. במהלך תגובות אלקטרוליטיות, תוצר התגובה, למשל משקעים, מצטבר מסביב וישירות על משטחי האלקטרודות ומאט את ההמרה האלקטרוליטית של תמיסה טרייה לאלקטרודה. תהליכים אלקטרוליטיים המקודמים באולטרסאונד מראים העברת מסה מוגברת בתמיסה בתפזורת וליד המשטחים. רטט קולי וקוויטציה מסירים שכבות פסיבציה ממשטחי האלקטרודות ושומרים עליהם ובכך יעילים לצמיתות. יתר על כן, סוניפיקציה ידועה כמשפרת מסלולי תגובה על ידי השפעות סונוכימיות.

ירידת מתח אוהמי נמוך יותר, פוטנציאל יתר של תגובה ופוטנציאל פירוק

המתח הדרוש להתרחשות אלקטרוליזה ידוע בשם פוטנציאל פירוק. אולטרסאונד יכול להוריד את פוטנציאל הפירוק הדרוש בתהליכי אלקטרוליזה.

תא אלקטרוליזה קולי

עבור אלקטרוליזה של מים, קלט אנרגיה על-קולי, מרווח אלקטרודות וריכוז אלקטרוליטים הם גורמי מפתח המשפיעים על אלקטרוליזה של מים ויעילותה.
עבור אלקטרוליזה אלקליין, תא אלקטרוליזה עם תמיסה קאוסטית מימית של בדרך כלל 20%-40% KOH או NaOH משמש. אנרגיה חשמלית מוחלת על שתי אלקטרודות.
ניתן להשתמש בזרזים אלקטרודות כדי להאיץ את מהירות התגובה. לדוגמה, אלקטרודות Pt הן חיוביות ככל שהתגובה מתרחשת בקלות רבה יותר.
מאמרי מחקר מדעיים מדווחים על חיסכון של 10%-25% באנרגיה באמצעות אלקטרוליזה של מים המקודמת באולטרסאונד.

אלקטרולייזרים על-קוליים לייצור מימן בפיילוט ובקנה מידה תעשייתי

Hielscher Ultrasonics’ מעבדים קוליים תעשייתיים בנויים לפעולה 24/7/365 תחת עומס מלא ובתהליכים כבדים.
על ידי אספקת מערכות קוליות חזקות, סונוטרודים מתוכננים מיוחדים (גשושיות), המתפקדים כאלקטרודה ומשדר גלי אולטרסאונד בו זמנית, וכורי אלקטרוליזה, Hielscher Ultrasonics מספקת את הדרישות הספציפיות לייצור מימן אלקטרוליטי. כל האולטרסוניקטורים התעשייתיים הדיגיטליים של סדרת UIP (UIP500hdT (500 וואט), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1.5kW), UIP2000hdT (2kW), וכן UIP4000hdT (4kW)) הן יחידות על-קוליות בעלות ביצועים גבוהים עבור יישומי אלקטרוליזה.

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: