ייצור יעיל של מימן באמצעות אולטרסאונד
מימן הוא דלק חלופי המועדף בשל ידידותיותו לסביבה והיעדר פליטות פחמן דו־חמצני. עם זאת, הפקת מימן בשיטות קונבנציונליות אינה יעילה לצורך ייצור המוני כלכלי. אלקטרוליזה של מים ושל תמיסות מימיות בסיסיות, המקודמת באמצעות אולטרסאונד, מניבה תפוקות מימן גבוהות יותר, קצב תגובה גבוה יותר ומהירות המרה גבוהה יותר. אלקטרוליזה בסיוע אולטרסאונד הופכת את ייצור המימן לכלכלי וליעיל מבחינה אנרגטית.
תגובות אלקטרוכימיות המקודמות באמצעות אולטרסאונד, כגון אלקטרוליזה ואלקטרוקואגולציה, מציגות שיפור במהירות התגובה, בקצב התגובה ובתפוקות.
האיצו את ייצור המימן בעזרת העוצמה של אולטרסאונד ואלקטרוכימיה
שלבו את היעילות של קוויטציה אולטרסונית עם הדיוק של תגובות אלקטרוכימיות כדי להשיג תפוקות מימן גבוהות יותר וצריכת אנרגיה נמוכה יותר. המערכות הסונו־אלקטרוכימיות המתקדמות של Hielscher מגבירות את מעבר המסה, משפרות את פעילות הזרז וממטבות את פני השטח של האלקטרודות להפקת H₂ עקבית בביצועים גבוהים.
יתרונות עיקריים:
- מעבר מסה מוגבר: גלי אולטרסאונד מפחיתים את עובי שכבת הדיפוזיה, ובכך מבטיחים אספקה יעילה של מגיבים לאלקטרודות.
- יציבות משופרת של הזרז: סוניקציה מונעת אגלומרציה של ננו־חלקיקים, ושומרת על פעילות קטליטית גבוהה לאורך זמן.
- יעילות אנרגטית: מטבו את תשומת האנרגיה באמצעות מיקרו־ערבול וניקוי פני שטח הנגרמים מקוויטציה.
הבטיחו קוויטציה עקבית בעוצמה גבוהה באמצעות מעבדים אולטרסוניים אמינים המיועדים לייצור רציף של H₂ במשך 24/7. קבלו מידע מפורט על הפתרונות האולטרסוניים שלנו בהספק גבוה ושוחחו עם מומחי הסוניקציה שלנו!
2x מעבדים אולטרסוניים מדגם UIP2000hdT עם גשושיות, המשמשות כאלקטרודות, כלומר קתודה ואנודה. הרטט האולטרסוני והקוויטציה מקדמים ייצור אלקטרוכימי של מימן.
הפקה יעילה של מימן באמצעות סוניקציה
אלקטרוליזה של מים ושל תמיסות מימיות לצורך הפקת מימן היא תהליך מבטיח לייצור אנרגיה נקייה. אלקטרוליזה של מים היא תהליך אלקטרוכימי שבו נעשה שימוש בחשמל לפירוק מים לשני גזים, מימן (H₂) וחמצן (O₂). כדי לבקע את קשרי H – O – H באמצעות אלקטרוליזה, מועבר זרם חשמלי דרך המים.
לצורך התגובה האלקטרוליטית מופעל זרם חשמלי ישר כדי להתחיל תגובה שאחרת אינה ספונטנית. אלקטרוליזה יכולה להפיק מימן בטוהר גבוה בתהליך פשוט, ידידותי לסביבה וירוק, ללא פליטות CO₂, שכן O₂ הוא תוצר הלוואי היחיד.
באלקטרוליזה של מים, פירוק המים לחמצן ולמימן מושג באמצעות העברת זרם חשמלי דרך המים.
במים טהורים מתרחשת בקתודה הטעונה שלילית תגובת חיזור, שבה אלקטרונים (e−) מהקתודה נמסרים לקטיוני מימן, כך שנוצר גז מימן. באנודה הטעונה חיובית מתרחשת תגובת חמצון, המייצרת גז חמצן תוך מסירת אלקטרונים לאנודה. פירוש הדבר הוא שמים מגיבים באנודה ליצירת חמצן ויוני מימן בעלי מטען חיובי (פרוטונים). בכך מושלמת משוואת מאזן האנרגיה הבאה:
2H+ (aq) + 2e– → H₂ (g) (חיזור בקתודה)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (חמצון באנודה)
התגובה הכוללת: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
לעיתים קרובות משתמשים במים בסיסיים לאלקטרוליזה לצורך ייצור מימן. מלחי אלקלי הם הידרוקסידים מסיסים של מתכות אלקליות ומתכות אלקליות עפרוריות, שדוגמאות נפוצות להם הן: נתרן הידרוקסידי (NaOH, הידוע גם כסודה קאוסטית) ואשלגן הידרוקסידי (KOH, הידוע גם כאשלג קאוסטי). לאלקטרוליזה משתמשים בעיקר בתמיסה קאוסטית בריכוזים של 20% עד 40%.
ייצור סונו־אלקטרוכימי של מימן בקתודה אולטרסונית.
סינתזה אולטרסונית של מימן
כאשר גז מימן מופק בתגובה אלקטרוליטית, המימן מסונתז בדיוק בפוטנציאל הפירוק. פני השטח של האלקטרודות הם האזור שבו מתרחשת היווצרות המימן ברמה המולקולרית במהלך התגובה האלקטרוכימית. מולקולות המימן מתגרענות על פני האלקטרודה, כך שבהמשך נוצרות בועות גז מימן סביב הקתודה. שימוש באלקטרודות אולטרסוניות משפר את עכבות הפעילות ואת עכבת הריכוז ומאיץ את עליית בועות המימן במהלך אלקטרוליזה של מים. כמה מחקרים הראו שהפקת מימן אולטרסונית מגדילה ביעילות את תפוקת המימן.
- תפוקות מימן גבוהות יותר
- יעילות אנרגטית משופרת
➡️ השתמשו בסוניקציה לצורך:
- הגברת מעבר המסה
- האצת ההפחתה של העכבה המצטברת
- הפחתת מפל המתח האוהמי
- הפחתת מתח היתר של התגובה
- הפחתת פוטנציאל הפירוק
- סילוק גזים ממים / מתמיסה מימית
- ניקוי זרזי האלקטרודות
השפעות אולטרסוניות על אלקטרוליזה
אלקטרוליזה המעוררת באמצעות אולטרסאונד מכונה גם סונו־אלקטרוליזה. גורמים אולטרסוניים שונים בעלי אופי סונו־מכני וסונו־כימי משפיעים על תגובות אלקטרוכימיות ומקדמים אותן.
- גלי אולטרסאונד יוצרים בועות
- הבועות קורסות
- חום קיצוני מפרק מולקולות מים
הגורמים המשפיעים על האלקטרוליזה נובעים מקוויטציה ומרעידות הנגרמות באמצעות אולטרסאונד, וכוללים זרימה אקוסטית, מערבולות זעירות, סילונים זעירים, גלי הלם וכן השפעות סונו־כימיות. קוויטציה אולטרסונית / אקוסטית מתרחשת כאשר גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מצומדים לנוזל. תופעת הקוויטציה מאופיינת בגדילה ובקריסה של בועות המכונות בועות קוויטציה. קריסת הבועה פנימה מתאפיינת בכוחות עזים ביותר המופיעים באופן מקומי. כוחות אלה כוללים חימום מקומי עז עד 5000K, לחצים גבוהים עד 1000 atm וקצבי חימום וקירור עצומים (>100k/sec), והם מעוררים אינטראקציה ייחודית בין חומר לאנרגיה. לדוגמה, כוחות קוויטציה אלה משפיעים על קשרי המימן במים ומקלים על פירוק צבירי מים, דבר שמוביל בהמשך להפחתת צריכת האנרגיה באלקטרוליזה.
השפעת האולטרסאונד על האלקטרודות
- הסרת משקעים מפני האלקטרודה
- שפעול פני האלקטרודה
- הובלת אלקטרוליטים אל האלקטרודות והרחק מהן
ניקוי ושפעול אולטרסוניים של פני האלקטרודות
מעבר מסה הוא אחד הגורמים המכריעים המשפיעים על קצב התגובה, מהירותה ותפוקתה. במהלך תגובות אלקטרוליטיות, תוצרי התגובה, כגון משקעים, מצטברים סביב פני האלקטרודות וגם ישירות עליהם, ומאטים את ההמרה האלקטרוליטית של תמיסה טרייה באלקטרודה. תהליכים אלקטרוליטיים המקודמים באמצעות אולטרסאונד מציגים מעבר מסה מוגבר בגוף התמיסה ובקרבת פני השטח. רעידות אולטרסוניות וקוויטציה מסירות שכבות פסיבציה מפני האלקטרודות, ובכך שומרות על פעולתן ביעילות מלאה דרך קבע. נוסף על כך, ידוע שסוניקציה משפרת מסלולי תגובה באמצעות השפעות סונו־כימיות.
הפחתת מפל המתח האוהמי, מתח היתר של התגובה ופוטנציאל הפירוק
המתח הדרוש להתרחשות אלקטרוליזה מכונה פוטנציאל הפירוק. אולטרסאונד יכול להפחית את פוטנציאל הפירוק הדרוש בתהליכי אלקטרוליזה.
תא אלקטרוליזה אולטרסוני
באלקטרוליזה של מים, תשומת האנרגיה האולטרסונית, המרווח בין האלקטרודות וריכוז האלקטרוליט הם גורמי מפתח המשפיעים על אלקטרוליזת המים ועל יעילותה.
באלקטרוליזה בסיסית משתמשים בתא אלקטרוליזה המכיל תמיסה מימית קאוסטית של KOH או NaOH, בדרך כלל בריכוז של 20%–40%. אנרגיה חשמלית מוזנת לשתי אלקטרודות.
ניתן להשתמש בזרזי אלקטרודות כדי להאיץ את מהירות התגובה. לדוגמה, אלקטרודות Pt עדיפות מכיוון שהתגובה מתרחשת ביתר קלות.
מאמרי מחקר מדעיים מדווחים על חיסכון באנרגיה של 10%-25% באמצעות אלקטרוליזה של מים המקודמת באולטרסאונד.
אלקטרולייזרים אולטרסוניים לייצור מימן בקנה מידה של פיילוט ובקנה מידה תעשייתי
המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics בנויים לפעולה 24/7/365 בעומס מלא ובתהליכים בתנאי עבודה קשים.
באמצעות אספקת מערכות אולטרסוניות עמידות, סונוטרודות (גשושיות) שתוכננו במיוחד ומתפקדות בו־זמנית כאלקטרודה וכמשדר גלים אולטרסוניים, וכן כורי אלקטרוליזה, Hielscher Ultrasonics נותנת מענה לדרישות הייחודיות של ייצור מימן באמצעות אלקטרוליזה. כל הסוניקטורים התעשייתיים הדיגיטליים מסדרת UIP (UIP500hdT (500 ואט), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1.5kW), UIP2000hdT (2kW), וכן UIP4000hdT (4kW)) הם יחידות אולטרסוניות בעלות ביצועים גבוהים ליישומי אלקטרוליזה.
הגשושית האולטרסונית של UIP2000hdT משמשת כאנודה. הגלים האולטרסוניים המופעלים מגבירים את הסינתזה האלקטרוליטית של מימן.
הטבלה שלהלן מציגה סקירה של הסוניקטורים והאלקטרודות האולטרסוניות שלנו לייצור אלקטרוכימי של H₂ – ממעבדת המחקר ועד לייצור:
| סוניקטור | הספק אולטרסוני | נפח |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | מבחנת Falcon |
| UP100H | 100W | 10 עד 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 עד 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0.2 עד 4L/min |
ייעלו את תפוקת המימן שלכם באמצעות סוניקציה!
תא סונו־אלקטרוכימי לסינתזה משופרת של H2
שאלות נפוצות – ייצור סונו־אלקטרוכימי של מימן
מהו מימן?
מימן הוא היסוד הכימי שסמלו H ומספרו האטומי 1. עם משקל אטומי תקני של 1.008, מימן הוא היסוד הקל ביותר בטבלה המחזורית. מימן הוא החומר הכימי הנפוץ ביותר ביקום, ומהווה כ־75% מכלל המסה הבריונית. H₂ הוא גז הנוצר כאשר שני אטומי מימן נקשרים זה לזה והופכים למולקולת מימן. H₂ נקרא גם מימן מולקולרי, והוא מולקולה דו־אטומית המורכבת מאטומים של אותו יסוד. הוא מורכב משני פרוטונים ומשני אלקטרונים. מכיוון שמטענו ניטרלי, מימן מולקולרי הוא יציב, ולכן הוא הצורה הנפוצה ביותר של מימן.
כאשר מימן מיוצר בקנה מידה תעשייתי, רפורמינג בקיטור של גז טבעי הוא שיטת הייצור הנפוצה ביותר. שיטה חלופית היא אלקטרוליזה של מים. רוב המימן מיוצר בקרבת המקום שבו ייעשה בו שימוש בהמשך, למשל ליד מתקנים לעיבוד דלקים מאובנים (כגון מתקני הידרוקרקינג) וליד יצרני דשנים מבוססי אמוניה.
מהי סינתזה סונו־אלקטרוכימית של מימן?
סינתזה סונו־אלקטרוכימית היא טכניקה משולבת המחברת בין קוויטציה אולטרסונית לבין פיצול אלקטרוכימי של מים. באמצעות הפעלת גלי קול בתדר גבוה – כלומר אולטרסאונד – בכור אלקטרוכימי, התהליך מגביר את מעבר המסה, מנקה את פני האלקטרודות ומשפר את היעילות הכוללת של ייצור המימן בהשוואה לאלקטרוליזה מסורתית.
כיצד אולטרסאונד משפר את תפוקת המימן באלקטרוליזה?
אולטרסאונד משפר את ייצור המימן בעיקר באמצעות קוויטציה אקוסטית. היווצרותן וקריסתן של בועות מיקרוסקופיות יוצרות מיקרו־מערבולות עזות המפחיתות את עובי שכבת הדיפוזיה על פני האלקטרודה. הדבר מבטיח אספקה מהירה יותר של מגיבים לזרז ומסייע להסיר בועות גז מימן ביעילות רבה יותר, ובכך מונע "מיסוך גז" ומאפשר צפיפויות זרם גבוהות יותר.
מהם היתרונות של שימוש בסוניקטור תעשייתי לסינתזה של מימן?
שימוש במעבדים אולטרסוניים בעוצמה גבוהה, כגון UIP2000hdT מסדרת UIP התעשייתית של Hielscher, מציע כמה יתרונות:
- פעילות מוגברת של הזרז: סוניקציה מונעת אגלומרציה של ננו־חלקיקים, ושומרת על פעילות גבוהה של זרזים (כגון Pt, TiO₂ או Ni).
- ניקוי אלקטרודות: אולטרסאונד מנקה את פני האלקטרודות ברציפות, מפחית קיטוב ומאריך את חיי רכיבי הכור.
- אפשרות להגדלת קנה המידה: מערכות אלו מתוכננות לפעולה רציפה 24/7, ולכן הן מתאימות הן למחקר מעבדתי והן לייצור מימן בקנה מידה תעשייתי.
מה תפקידה של קוויטציה בתגובות סונו־אלקטרוכימיות?
קוויטציה אקוסטית היא המנגנון המרכזי בסונו-אלקטרוכימיה. כאשר גלים אולטרסוניים עוברים דרך נוזל, הם יוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה ולחץ נמוך. במהלך מחזור הלחץ הנמוך נוצרות בועות ריק זעירות וגדלות; במהלך מחזור הלחץ הגבוה הן קורסות פנימה. קריסה זו יוצרת טמפרטורות ולחצים קיצוניים באופן מקומי, העשויים להקל על תגובות כימיות ולשפר במידה ניכרת את המגע בין האלקטרודות לאלקטרוליט.
האם ניתן להשתמש בסונו-אלקטרוכימיה עם מקורות אנרגיה מתחדשים?
כן. ניתן לשלב מערכות סונו-אלקטרוכימיות עם מקורות אנרגיה מתחדשים, כגון אנרגיית שמש או רוח. יכולתם של מעבדים אולטרסוניים לפעול ביעילות ברמות הספק משתנות הופכת אותם למתאימים במיוחד לאספקת אנרגיה לסירוגין, ועשויה להפחית את טביעת הרגל הפחמנית של ייצור מימן ירוק.
כיצד ייצור מימן בשיטה סונו-אלקטרוכימית משתווה לרפורמינג מסורתי של מתאן בקיטור?
בניגוד לרפורמינג של מתאן בקיטור (SMR), המסתמך על דלקים מאובנים ופולט כמויות ניכרות של CO₂, סינתזה סונו-אלקטרוכימית משתמשת בדרך כלל במים כחומר הגלם. אף ש-SMR מבוסס יותר כיום, סונו-אלקטרוכימיה מציעה חלופה נקייה יותר ו"ירוקה", שניתן להפעיל באמצעות חשמל ממקורות מתחדשים, ולכן היא טכנולוגיית מפתח לכלכלת מימן בת קיימא.
ספרות / מקורות
- 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.
- José González-García, Ludovic Drouin, Craig E. Banks, Biljana Šljukić, Richard G. Compton (2007): At point of use sono-electrochemical generation of hydrogen peroxide for chemical synthesis: The green oxidation of benzonitrile to benzamide. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 14, Issue 2, 2007. 113-116.
- 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.