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।
अल्ट्रासाउंड और इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री की शक्ति के साथ हाइड्रोजन उत्पादन को तेज करें
अल्ट्रासोनिक कैविटेशन की दक्षता को इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं की सटीकता के साथ मिलाएं ताकि उच्च हाइड्रोजन उत्पादन और कम ऊर्जा खपत प्राप्त की जा सके। Hielscher के उन्नत सोनो-इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम मास ट्रांसफर को बढ़ाते हैं, उत्प्रेरक सक्रियता में सुधार करते हैं, और लगातार उच्च-प्रदर्शन H₂ उत्पादन के लिए इलेक्ट्रोड सतहों को अनुकूलित करते हैं।
मुख्य लाभ:
- संवर्धित जन हस्तांतरण: अल्ट्रासोनिक तरंगें विसरण परत की मोटाई को कम करती हैं, जिससे इलेक्ट्रोड तक प्रतिक्रियाशील पदार्थ की कुशल डिलीवरी सुनिश्चित होती है।
- सुधारी गई उत्प्रेरक स्थिरता: सोनिकेशन नैनो कणों के जमाव को रोकता है, समय के साथ उच्च उत्प्रेरक गतिविधि बनाए रखता है।
- ऊर्जा दक्षता: केविटेशन-संचालित सूक्ष्म-मिश्रण और सतह सफाई का लाभ उठाकर ऊर्जा इनपुट का अनुकूलन करें।
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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।
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।
Regarding electrolysis of water, the splitting of water into oxygen and hydrogen is achieved by passing an electric current through the water.
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– → H₂ (g) (कैथोड पर कमी)
2एच2ओ (एल) → ओ 2 (जी) + 4 एच+ (aq) + 4e– (एनोड पर ऑक्सीकरण)
समग्र प्रतिक्रिया: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
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।
- उच्च हाइड्रोजन पैदावार
- बेहतर ऊर्जा दक्षता
➡️ Apply sonication for:
- 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
Ultrasonically excited electrolysis is also known as sono-electrolysis. Various ultrasonic factors of sonomechanical and sonochemical nature influence and promote electrochemical reactions.
- Ultrasound waves create bubbles
- Bubbles collapse
- Extreme heat splits water molecules
The 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.
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
Mass transfer is one of the crucial factors influencing reaction rate, speed, and yield. During electrolytic reactions, the reaction product, e.g. precipitates, accumulate around as well as directly on the electrode surfaces and decelerate the electrolytic conversion of fresh solution to the electrode. Ultrasonically promoted electrolytic processes show an increased mass transfer in the bulk solution and near the surfaces. Ultrasonic vibration and cavitation removes passivation layers from the electrode surfaces and keep them thereby permanently fully efficient. Furthermore, sonification is known to enhance reaction pathways by sonochemical effects.
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।
The table below gives you an overview about our sonicators and sono-electrodes for electro-chemical H₂ generation – अनुसंधान लैब से उत्पादन तक:
| सोनिकेटर | अल्ट्रासाउंड पावर | आयतन |
|---|---|---|
| वायलट्वीटर | 200डब्ल्यू | फाल्कन ट्यूब |
| यूपी100एच | 100W | 10 से 200mL/मिनट |
| UP400St | 400W | 20 से 400mL/मिनट |
| यूआईपी2000एचडीटी | 2000W | 0.2 से 4L/मिनट |
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बेहतर H2 संश्लेषण के लिए सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल
अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न – सोनो-इलेक्ट्रोकेमिकल हाइड्रोजन उत्पादन
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।
हाइड्रोजन का सॉनो-इलेक्ट्रोकेमिकल संश्लेषण क्या है?
सॉनो-इलेक्ट्रोकेमिकल संश्लेषण एक हाइब्रिड तकनीक है जो अल्ट्रासोनिक कैविटेशन को इलेक्ट्रोकेमिकल जल अपघटन के साथ मिलाती है। उच्च-आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगें लागू करके – अर्थात अल्ट्रासाउंड – एक इलेक्ट्रोकेमिकल रिएक्टर पर, यह प्रक्रिया द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ाती है, इलेक्ट्रोड सतहों को साफ करती है, और पारंपरिक इलेक्ट्रोलिसिस की तुलना में हाइड्रोजन उत्पादन की कुल दक्षता में सुधार करती है।
इलेक्ट्रोलिसिस में अल्ट्रासाउंड हाइड्रोजन उत्पादन को कैसे बढ़ाता है?
अल्ट्रासाउंड मुख्य रूप से ध्वनिक कैविटेशन के माध्यम से हाइड्रोजन उत्पादन में सुधार करता है। सूक्ष्म बुलबुले का निर्माण और उनका पतन तीव्र सूक्ष्म-उपद्रव (micro-turbulence) उत्पन्न करता है जो इलेक्ट्रोड सतह पर प्रसार परत की मोटाई को कम करता है। यह उत्प्रेरक तक प्रतिक्रिया करने वाले पदार्थों की तेज़ आपूर्ति सुनिश्चित करता है और हाइड्रोजन गैस के बुलबुलों को अधिक कुशलता से हटाने में मदद करता है, जिससे “गैस शील्डिंग” रोकने और उच्च धारा घनत्व की अनुमति मिलती है।
हाइड्रोजन संश्लेषण के लिए औद्योगिक सोनिकेशन का उपयोग करने के क्या लाभ हैं?
Hielscher औद्योगिक-ग्रेड UIP श्रृंखला के UIP2000hdT जैसे उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर का उपयोग करने के कई लाभ हैं:
- प्रतिकारक गतिविधि में वृद्धि: सोनिकेशन नैनोपार्टिकल्स के जमाव को रोकता है, जिससे उत्प्रेरक (जैसे Pt, TiO₂ या Ni) उच्च सक्रिय रहते हैं।
- इलेक्ट्रोड की सफाई: अल्ट्रासाउंड लगातार इलेक्ट्रोड सतहों को साफ करता है, ध्रुवीकरण को कम करता है और रिएक्टर घटकों के जीवनकाल को बढ़ाता है।
- अनुमापकता: ये सिस्टम लगातार 24/7 संचालन के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, जो उन्हें दोनों, प्रयोगशाला अनुसंधान और औद्योगिक स्तर पर हाइड्रोजन उत्पादन के लिए उपयुक्त बनाता है।
सोनो-इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रियाओं में कैविटेशन की भूमिका क्या है?
ध्वनिक गुहिकायन सोनो-इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री में मुख्य तंत्र है। जब अल्ट्रासोनिक तरंगें एक तरल से गुजरती हैं, तो वे बारी-बारी से उच्च दबाव और कम दबाव चक्र बनाती हैं। कम दबाव चक्र के दौरान, छोटे वैक्यूम बुलबुले बनते हैं और बढ़ते हैं; उच्च दबाव चक्र के दौरान, वे बेधड़क ढह जाते हैं। यह पतन स्थानीयकृत अत्यधिक तापमान और दबाव उत्पन्न करता है, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सुविधाजनक बना सकता है और इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच संपर्क में काफी सुधार कर सकता है।
क्या सोनो-इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री का उपयोग नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के साथ किया जा सकता है?
हाँ। सोनो-इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम को सौर या पवन ऊर्जा जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के साथ एकीकृत किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर की विभिन्न शक्ति स्तरों पर कुशलतापूर्वक काम करने की क्षमता उन्हें अस्थायी ऊर्जा आपूर्ति के लिए एक उत्कृष्ट विकल्प बनाती है, जो हरित हाइड्रोजन उत्पादन के कार्बन पदचिह्न को कम कर सकती है।
सोनो-इलेक्ट्रोकेमिकल हाइड्रोजन उत्पादन की पारंपरिक स्टीम मीथेन रिफॉर्मिंग से तुलना कैसे होती है?
स्टीम मीथेन रिफॉर्मिंग (SMR), जो जीवाश्म ईंधनों पर निर्भर करता है और काफी CO₂ का उत्सर्जन करता है, के विपरीत, सोनो-इलेक्ट्रोकेमिकल संश्लेषण आमतौर पर पानी का उपयोग फ़ीडस्टॉक के रूप में करता है। जबकि SMR वर्तमान में अधिक स्थापित है, सोनो-इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री एक स्वच्छ विकल्प प्रदान करता है, “हरा” जो नवीकरणीय बिजली द्वारा संचालित किया जा सकता है, जिससे यह सतत हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था के लिए एक प्रमुख प्रौद्योगिकी बन जाती है।
साहित्य/सन्दर्भ
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- 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.