Ultrasonics के साथ कुशल हाइड्रोजन उत्पादन
हाइड्रोजन एक वैकल्पिक ईंधन है जो इसकी पर्यावरण-मित्रता और शून्य कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन के कारण बेहतर है। हालांकि, पारंपरिक हाइड्रोजन उत्पादन किफायती बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए कुशल नहीं है। पानी और क्षारीय पानी के समाधान के अल्ट्रासोनिक रूप से प्रचारित इलेक्ट्रोलिसिस के परिणामस्वरूप उच्च हाइड्रोजन पैदावार, प्रतिक्रिया दर और रूपांतरण गति होती है। अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त इलेक्ट्रोलिसिस हाइड्रोजन उत्पादन को किफायती और ऊर्जा कुशल बनाता है।
इलेक्ट्रोलिसिस और इलेक्ट्रोकोएग्यूलेशन जैसे अल्ट्रासोनिक रूप से प्रचारित इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाएं बेहतर प्रतिक्रिया गति, दर और पैदावार दिखाती हैं।
Sonication के साथ कुशल हाइड्रोजन उत्पादन
हाइड्रोजन उत्पादन के उद्देश्य से पानी और जलीय घोल का इलेक्ट्रोलिसिस स्वच्छ ऊर्जा के उत्पादन के लिए एक आशाजनक प्रक्रिया है। पानी का इलेक्ट्रोलिसिस एक विद्युत रासायनिक प्रक्रिया है जहां पानी को दो गैसों, अर्थात् हाइड्रोजन (एच 2) और ऑक्सीजन (ओ 2) में विभाजित करने के लिए बिजली लागू की जाती है। एच को क्लीव करने के लिए – O – इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा एच बॉन्ड, पानी के माध्यम से एक विद्युत प्रवाह चलाया जाता है।
इलेक्ट्रोलाइटिक प्रतिक्रिया के लिए, एक अन्य-वार गैर-सहज प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए एक प्रत्यक्ष विद्युत मुद्रा लागू की जाती है। इलेक्ट्रोलिसिस शून्य CO2 उत्सर्जन के साथ एक सरल, पर्यावरण के अनुकूल, हरित प्रक्रिया में उच्च शुद्धता का हाइड्रोजन उत्पन्न कर सकता है क्योंकि O2 एकमात्र उप-उत्पाद है।
जांच के साथ मॉडल UIP2000hdT के 2x अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर, जो इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करते हैं, यानी कैथोड और एनोड। अल्ट्रासाउंड कंपन और गुहिकायन विद्युत रासायनिक हाइड्रोजन उत्पादन को बढ़ावा देता है।
पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के संबंध में, पानी के माध्यम से विद्युत प्रवाह पारित करके ऑक्सीजन और हाइड्रोजन में पानी का विभाजन प्राप्त किया जाता है।
ऋणात्मक आवेशित कैथोड पर शुद्ध जल में, अपचयन अभिक्रिया होती है जहाँ कैथोड से इलेक्ट्रॉनों (e−) को हाइड्रोजन धनायनों को दान किया जाता है ताकि हाइड्रोजन गैस बन सके। सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए एनोड पर, एक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया होती है, जो एनोड को इलेक्ट्रॉन देते हुए ऑक्सीजन गैस उत्पन्न करती है। इसका मतलब है, पानी ऑक्सीजन और सकारात्मक रूप से चार्ज हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन) बनाने के लिए एनोड पर प्रतिक्रिया करता है। जिससे ऊर्जा संतुलन का निम्नलिखित समीकरण पूरा हो जाता है:
2एच+ (aq) + 2e– → एच2 (छ) (कैथोड पर अपनयन)
2एच2ओ (एल) → ओ 2 (जी) + 4 एच+ (aq) + 4e– (एनोड पर ऑक्सीकरण)
समग्र प्रतिक्रिया: 2H2ओ (एल) → 2 एच2 (ह) + व्2 (छ)
अक्सर, हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए इलेक्ट्रोलिसिस के लिए क्षारीय पानी का उपयोग किया जाता है। क्षार लवण क्षार धातुओं और क्षारीय पृथ्वी धातुओं के घुलनशील हाइड्रॉक्साइड होते हैं, जिनमें से सामान्य उदाहरण हैं: सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NaOH, जिसे कास्टिक सोडा भी कहा जाता है) और पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड (KOH, जिसे कास्टिक पोटाश भी कहा जाता है)। इलैक्रोलिसिस के लिए, मुख्य रूप से 20% से 40% कास्टिक समाधान की सांद्रता का उपयोग किया जाता है।
"अल्ट्रासोनिक कैथोड में हाइड्रोजन का सोनो-इलेक्ट्रोकेमिकल उत्पादन"।
हाइड्रोजन का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण
जब इलेक्ट्रोलाइटिक प्रतिक्रिया में हाइड्रोजन गैस का उत्पादन होता है, तो हाइड्रोजन को अपघटन क्षमता पर संश्लेषित किया जाता है। इलेक्ट्रोड की सतह वह क्षेत्र है, जहां विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के दौरान आणविक चरण पर हाइड्रोजन का निर्माण होता है। हाइड्रोजन अणु इलेक्ट्रोड सतह पर नाभिक करते हैं, ताकि बाद में हाइड्रोजन गैस के बुलबुले कैथोड के चारों ओर मौजूद हों। अल्ट्रासोनिक इलेक्ट्रोड का उपयोग गतिविधि प्रतिबाधा और एकाग्रता प्रतिबाधा में सुधार करता है और पानी इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान हाइड्रोजन बुलबुले के बढ़ने में तेजी लाता है। कई अध्ययनों से पता चला है कि अल्ट्रासोनिक हाइड्रोजन उत्पादन हाइड्रोजन पैदावार को कुशलता से बढ़ाता है।
हाइड्रोजन इलेक्ट्रोलिसिस पर अल्ट्रासोनिक्स के लाभ
- उच्च हाइड्रोजन पैदावार
- बेहतर ऊर्जा दक्षता
अल्ट्रासाउंड के रूप में:
- बड़े पैमाने पर स्थानांतरण में वृद्धि
- संचित प्रतिबाधा की त्वरित कमी
- कम ओमिक वोल्टेज ड्रॉप
- कम प्रतिक्रिया overpotential
- कम अपघटन क्षमता
- पानी का विघटन/जलीय घोल
- इलेक्ट्रोड उत्प्रेरक की सफाई
इलेक्ट्रोलिसिस पर अल्ट्रासोनिक प्रभाव
अल्ट्रासोनिक रूप से उत्तेजित इलेक्ट्रोलिसिस को सोनो-इलेक्ट्रोलिसिस के रूप में भी जाना जाता है। सोनोमैकेनिकल और सोनोकेमिकल प्रकृति के विभिन्न अल्ट्रासोनिक कारक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं को प्रभावित करते हैं और बढ़ावा देते हैं। ये इलेक्ट्रोलिसिस-प्रभावित करने वाले कारक अल्ट्रासाउंड-प्रेरित कैविटेशन और कंपन के परिणाम हैं और इसमें ध्वनिक स्ट्रीमिंग, माइक्रो-टर्बुलेंस, माइक्रोजेट्स, शॉक वेव्स के साथ-साथ सोनोकेमिकल प्रभाव भी शामिल हैं। ध्वनिक कैविटेशन तब होता है, जब उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासाउंड तरंगों को तरल में जोड़ा जाता है। गुहिकायन की घटना तथाकथित गुहिकायन बुलबुले के विकास और पतन की विशेषता है। बुलबुला प्रत्यारोपण सुपर-तीव्र, स्थानीय रूप से होने वाली ताकतों द्वारा चिह्नित है। इन बलों में 5000K तक का तीव्र स्थानीय ताप, 1000 एटीएम तक का उच्च दबाव और भारी ताप और शीतलन दर (>100k/sec) शामिल हैं और वे पदार्थ और ऊर्जा के बीच एक अद्वितीय बातचीत को भड़काते हैं। उदाहरण के लिए, वे कैविटेशनल बल पानी में हाइड्रोजन बॉन्डिंग को प्रभावित करते हैं और पानी के समूहों के विभाजन की सुविधा प्रदान करते हैं जिसके परिणामस्वरूप बाद में इलेक्ट्रोलिसिस के लिए ऊर्जा की खपत कम हो जाती है।
इलेक्ट्रोड पर अल्ट्रासोनिक प्रभाव
- इलेक्ट्रोड सतह से जमा को हटाना
- इलेक्ट्रोड सतह का सक्रियण
- इलेक्ट्रोड से दूर और दूर इलेक्ट्रोलाइट्स का परिवहन
अल्ट्रासोनिक सफाई और इलेक्ट्रोड सतहों की सक्रियता
मास ट्रांसफर प्रतिक्रिया दर, गति और उपज को प्रभावित करने वाले महत्वपूर्ण कारकों में से एक है। इलेक्ट्रोलाइटिक प्रतिक्रियाओं के दौरान, प्रतिक्रिया उत्पाद, जैसे अवक्षेप, इलेक्ट्रोड सतहों पर सीधे और साथ ही जमा होते हैं और इलेक्ट्रोड के लिए ताजा समाधान के इलेक्ट्रोलाइटिक रूपांतरण को धीमा करते हैं। अल्ट्रासोनिक रूप से प्रचारित इलेक्ट्रोलाइटिक प्रक्रियाएं थोक समाधान में और सतहों के पास बढ़े हुए बड़े पैमाने पर हस्तांतरण दिखाती हैं। अल्ट्रासोनिक कंपन और गुहिकायन इलेक्ट्रोड सतहों से निष्क्रियता परतों को हटा देता है और उन्हें स्थायी रूप से पूरी तरह से कुशल रखता है। इसके अलावा, सोनिफिकेशन सोनोकेमिकल प्रभाव द्वारा प्रतिक्रिया मार्गों को बढ़ाने के लिए जाना जाता है।
कम ओमिक वोल्टेज ड्रॉप, रिएक्शन ओवरपोटेंशियल और अपघटन क्षमता
इलेक्ट्रोलिसिस होने के लिए आवश्यक वोल्टेज को अपघटन क्षमता के रूप में जाना जाता है। अल्ट्रासाउंड इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रियाओं में आवश्यक अपघटन क्षमता को कम कर सकता है।
अल्ट्रासोनिक इलेक्ट्रोलिसिस सेल
पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के लिए, अल्ट्रासोनिक ऊर्जा इनपुट, इलेक्ट्रोड गैप और इलेक्ट्रोलाइट एकाग्रता प्रमुख कारक हैं जो पानी के इलेक्ट्रोलिसिस और इसकी दक्षता को प्रभावित करते हैं।
एक क्षारीय इलेक्ट्रोलिसिस के लिए, आमतौर पर 20% -40% KOH या NaOH के जलीय कास्टिक घोल के साथ एक इलेक्ट्रोलिसिस सेल का उपयोग किया जाता है। विद्युत ऊर्जा दो इलेक्ट्रोड पर लागू होती है।
प्रतिक्रिया की गति को तेज करने के लिए इलेक्ट्रोड उत्प्रेरक का उपयोग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, पीटी इलेक्ट्रोड अनुकूल होते हैं क्योंकि प्रतिक्रिया अधिक आसानी से होती है।
वैज्ञानिक शोध लेख पानी के अल्ट्रासोनिक रूप से प्रचारित इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग करके 10% -25% ऊर्जा बचत की रिपोर्ट करते हैं।
पायलट और औद्योगिक पैमाने पर हाइड्रोजन उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक इलेक्ट्रोलाइज़र
Hielscher Ultrasonics’ औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर पूर्ण भार के तहत और भारी शुल्क प्रक्रियाओं में 24/7/365 ऑपरेशन के लिए बनाए गए हैं।
मजबूत अल्ट्रासोनिक सिस्टम, विशेष डिज़ाइन किए गए सोनोट्रोड्स (जांच) की आपूर्ति करके, जो एक ही समय में इलेक्ट्रोड और अल्ट्रासाउंड तरंग ट्रांसमीटर के रूप में कार्य करते हैं, और इलेक्ट्रोलिसिस रिएक्टर, हिल्स्चर अल्ट्रासोनिक्स इलेक्ट्रोलाइटिक हाइड्रोजन उत्पादन के लिए विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करता है। यूआईपी श्रृंखला के सभी डिजिटल औद्योगिक अल्ट्रासोनिकेटर (यूआईपी500एचडीटी (500 वाट), UIP1000hdT (1kW), यूआईपी1500एचडीटी (1.5 किलोवाट), यूआईपी2000एचडीटी (2kW), और यूआईपी4000एचडीटी (4kW)) इलेक्ट्रोलिसिस अनुप्रयोगों के लिए उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक इकाइयां हैं।
UIP2000hdT की अल्ट्रासोनिक जांच एनोड के रूप में कार्य करता है। लागू अल्ट्रासोनिक तरंगें हाइड्रोजन के इलेक्ट्रोलाइटिक संश्लेषण को तेज करती हैं।
नीचे दी गई तालिका आपको हमारे अल्ट्रासोनिकेटर की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:
| बैच वॉल्यूम | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 0.02 से 5L | 0.05 से 1L/मिनट | यूआईपी500एचडीटी |
| 0.05 से 10L | 0.1 से 2L/मिनट | UIP1000hdT |
| 0.07 से 15L | 0.15 से 3L/मिनट | यूआईपी1500एचडीटी |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/मिनट | यूआईपी2000एचडीटी |
| 10 से 100L | 2 से 10 लीटर/मिनट | यूआईपी4000एचडीटी |
हमसे संपर्क करें! हमसे पूछो!
Hielscher Ultrasonics प्रयोगशाला, पायलट और औद्योगिक पैमाने पर अनुप्रयोगों, फैलाव, पायसीकरण और निष्कर्षण के मिश्रण के लिए उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक homogenizers बनाती है।
जानने के योग्य तथ्य
हाइड्रोजन क्या है?
हाइड्रोजन रासायनिक तत्व है जिसका प्रतीक H और परमाणु संख्या 1 है। 1.008 के मानक परमाणु भार के साथ, आवर्त सारणी में हाइड्रोजन सबसे हल्का तत्व है। हाइड्रोजन ब्रह्मांड में सबसे प्रचुर मात्रा में रासायनिक पदार्थ है, जो सभी बैरोनिक द्रव्यमान का लगभग 75% है। H2 एक गैस है जो तब बनती है जब दो हाइड्रोजन परमाणु एक साथ बंधते हैं और हाइड्रोजन अणु बन जाते हैं। एच 2 को आणविक हाइड्रोजन भी कहा जाता है और यह एक डायटोमिक, होमोन्यूक्लियर अणु है। इसमें दो प्रोटॉन और दो इलेक्ट्रॉन होते हैं। एक तटस्थ चार्ज होने के कारण, आणविक हाइड्रोजन स्थिर है और इस तरह हाइड्रोजन का सबसे सामान्य रूप है।
जब औद्योगिक पैमाने पर हाइड्रोजन का उत्पादन किया जाता है, तो भाप सुधार प्राकृतिक गैस सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला उत्पादन रूप है। एक वैकल्पिक विधि पानी का इलेक्ट्रोलिसिस है। अधिकांश हाइड्रोजन का उत्पादन इसके बाद के उपयोग की साइट के पास किया जाता है, उदाहरण के लिए, जीवाश्म ईंधन प्रसंस्करण सुविधाओं (जैसे, हाइड्रोक्रैकिंग) और अमोनिया-आधारित उर्वरक उत्पादकों के पास।
साहित्य/सन्दर्भ
- 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.