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.

האצת ייצור מימן בעזרת כוחם של אולטרסאונד ואלקטרוכימיה

שילוב בין היעילות של קוויטציה אולטראסונית לדיוק של תגובות אלקטרוכימיות מאפשר להשיג תפוקות מימן גבוהות יותר וצריכת אנרגיה נמוכה יותר. המערכות הסונו-אלקטרוכימיות המתקדמות של Hielscher משפרות את העברת המסה, מגבירות את פעילות הזרז ומייעלות את משטחי האלקטרודות ליצירת H₂ עקבית ובעלת ביצועים גבוהים.
יתרונות עיקריים:

• העברה המונית משופרת: גלי קול מפחיתים את עובי שכבת הדיפוזיה, ובכך מבטיחים העברה יעילה של החומרים המגיבים אל האלקטרודות.
• יציבות משופרת של הזרז: השימוש באולטרסאונד מונע התלכדות של חלקיקים ננומטריים, ובכך שומר על פעילות קטליטית גבוהה לאורך זמן.
• התייעלות אנרגטית: מיטוב צריכת האנרגיה באמצעות ניצול מיקרו-ערבוב וניקוי משטחים הנגרמים על ידי קוויטציה.

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.
באשר לאלקטרוליזה של מים, הפיצול של המים לחמצן ומימן מתבצע 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 (גז) (תגובת חיזור בקתודה)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (חמצון באנודה)
התגובה הכוללת: 2H₂O (נוזל) → 2H₂ (גז) + O₂ (גז)
 
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

אלקטרוליזה המופעלת באמצעות אולטרסאונד ידועה גם בשם "סונו-אלקטרוליזה". גורמים אולטרסוניים שונים, בעלי אופי סונו-מכני וסונו-כימי, משפיעים על התגובות האלקטרוכימיות ומאיצים אותן.

1. גלי קול יוצרים בועות
2. בועות מתפוצצות
3. חום קיצוני מפרק מולקולות מים

הגורמים המשפיעים על האלקטרוליזה הם תוצאה של קוויטציה ורטט הנגרמים על ידי אולטרסאונד, וכוללים זרימה אקוסטית, מיקרו-טורבולנציות, מיקרו-סילונים, גלי הלם וכן השפעות סונוכימיות. קביטציה אולטראסונית/אקוסטית מתרחשת כאשר גלי קול בעוצמה גבוהה מועברים לנוזל. תופעת הקביטציה מאופיינת בצמיחה ובקריסה של מה שמכונה "בועות קביטציה". התפוצצות הבועה מתאפיינת בכוחות מקומיים עוצמתיים במיוחד. כוחות אלה כוללים חימום מקומי עז של עד 5000K, לחצים גבוהים של עד 1000 אטמוספרות, וקצב חימום וקירור עצום (>100k/sec), והם יוצרים אינטראקציה ייחודית בין חומר לאנרגיה. לדוגמה, כוחות הקוויטציה הללו משפיעים על קשרי המימן במים ומסייעים לפיצול אשכולות המים, מה שמביא בסופו של דבר להפחתת צריכת האנרגיה בתהליך האלקטרוליזה.
 
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, מהירותה ותפוקתה. במהלך תגובות אלקטרוליטיות, תוצרי התגובה – כגון משקעים – מצטברים סביב משטחי האלקטרודות וכן ישירות עליהם, ומאטים את ההמרה האלקטרוליטית של תמיסה טרייה לאלקטרודה. תהליכים אלקטרוליטיים המואצים באמצעות אולטרסאונד מפגינים העברת מסה מוגברת בתמיסה עצמה ובקרבת המשטחים. הרטט האולטרסוני והקוויטציה מסירים שכבות פסיבציה ממשטחי האלקטרודות ובכך שומרים על יעילותן המלאה לאורך זמן. יתר על כן, ידוע כי שימוש באולטרסאונד משפר את מסלולי התגובה באמצעות 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 שלהלן מספקת סקירה כללית על מכשירי הסוניקציה והאלקטרודות הסוניות שלנו לייצור H₂ בשיטה אלקטרו-כימית – ממעבדת המחקר ועד הייצור: