Učinkovita proizvodnja vodika s ultrazvukom
Vodik je alternativno gorivo koje se preferira zbog svoje ekološke prihvatljivosti i nulte emisije ugljičnog dioksida. Međutim, konvencionalna proizvodnja vodika nije učinkovita za ekonomičnu masovnu proizvodnju. Ultrazvučno potaknuta elektroliza vode i alkalnih vodenih otopina rezultira višim prinosima vodika, brzinom reakcije i brzinom pretvorbe. Ultrazvučno potpomognuta elektroliza čini proizvodnju vodika ekonomičnom i energetski učinkovitom.
Ultrazvučno promovirane elektrokemijske reakcije kao što su elektroliza i elektrokoagulacija pokazuju poboljšanu brzinu reakcije, brzinu i prinose.
Učinkovita proizvodnja vodika uz sonikaciju
Elektroliza vode i vodenih otopina u svrhu proizvodnje vodika obećavajući je proces za proizvodnju čiste energije. Elektroliza vode je elektrokemijski proces u kojem se električna energija rastavlja vodu na dva plina, naime vodik (H2) i kisik (O2). Kako bi se rascijepio H – O – H veze elektrolizom, kroz vodu teče električna struja.
Za elektrolitičku reakciju primjenjuje se izravna električna valuta kako bi se pokrenula drugačija nespontana reakcija. Elektrolizom se može proizvesti vodik visoke čistoće u jednostavnom, ekološki prihvatljivom, ekološkom procesu s nultom emisijom CO2 jer je O2 jedini nusprodukt.
2x ultrazvučna procesora modela UIP200hdT sa sondama, koji djeluju kao elektrode, tj. katoda i anoda. Ultrazvučne vibracije i kavitacija potiču elektrokemijsku proizvodnju vodika.
Što se tiče elektrolize vode, cijepanje vode na kisik i vodik postiže se propuštanjem električne struje kroz vodu.
U čistoj vodi na negativno nabijenoj katodi odvija se reakcija redukcije gdje se elektroni (e−) s katode predaju vodikovim kationima tako da nastaje vodikov plin. Na pozitivno nabijenoj anodi odvija se reakcija oksidacije, koja stvara plin kisik dok anodi predaje elektrone. To znači da voda reagira na anodi stvarajući kisik i pozitivno nabijene ione vodika (protone). Time se popunjava sljedeća jednadžba energetske bilance:
2H+ (aq) + 2e– → H2 (g) (redukcija na katodi)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (oksidacija na anodi)
Ukupna reakcija: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
Često se za elektrolizu koristi alkalna voda kako bi se proizveo vodik. Alkalijske soli su topljivi hidroksidi alkalnih metala i zemnoalkalijskih metala, od kojih su uobičajeni primjeri: natrijev hidroksid (NaOH, također poznat kao kaustična soda) i kalijev hidroksid (KOH, također poznat kao kaustična potaša). Za elektrolizu se uglavnom koriste koncentracije od 20% do 40% kaustične otopine.
Sono-elektrokemijska proizvodnja vodika na ultrazvučnoj katodi.
Ultrazvučna sinteza vodika
Kada se plinoviti vodik proizvodi u elektrolitičkoj reakciji, vodik se sintetizira točno na potencijalu razgradnje. Površina elektroda je područje gdje dolazi do stvaranja vodika na molekularnoj razini tijekom elektrokemijske reakcije. Molekule vodika stvaraju jezgru na površini elektrode, tako da su naknadno prisutni mjehurići plinovitog vodika oko katode. Korištenje ultrazvučnih elektroda poboljšava impedanciju aktivnosti i impedanciju koncentracije te ubrzava dizanje mjehurića vodika tijekom elektrolize vode. Nekoliko je studija pokazalo da ultrazvučna proizvodnja vodika učinkovito povećava prinose vodika.
Prednosti ultrazvuka na vodikovu elektrolizu
- Veći prinosi vodika
- Poboljšana energetska učinkovitost
kao rezultat ultrazvuka:
- Povećani prijenos mase
- Ubrzano smanjenje akumulirane impedancije
- Smanjeni omski pad napona
- Smanjeni reakcijski prenapon
- Smanjeni potencijal razgradnje
- Otplinjavanje vode/vodene otopine
- Čišćenje katalizatora elektroda
Ultrazvučni učinci na elektrolizu
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.
Ultrazvučni utjecaj na elektrode
- Uklanjanje naslaga s površine elektrode
- Aktivacija površine elektrode
- Transport elektrolita prema i od elektroda
Ultrazvučno čišćenje i aktivacija površina elektroda
Prijenos mase jedan je od ključnih čimbenika koji utječu na brzinu reakcije, brzinu i iskorištenje. Tijekom elektrolitičkih reakcija, produkt reakcije, npr. precipitati, akumuliraju se oko, kao i izravno na površinama elektrode i usporavaju elektrolitičku pretvorbu svježe otopine u elektrodu. Ultrazvučno promovirani elektrolitički procesi pokazuju povećani prijenos mase u rasutoj otopini i blizu površina. Ultrazvučne vibracije i kavitacija uklanjaju pasivne slojeve s površina elektroda i održavaju ih time trajno potpuno učinkovitima. Nadalje, poznato je da sonifikacija pojačava reakcijske putove sonokemijskim učincima.
Niži ohmski pad napona, reakcijski prenapon i potencijal razgradnje
Napon potreban za elektrolizu poznat je kao potencijal razgradnje. Ultrazvuk može smanjiti potrebni potencijal razgradnje u procesima elektrolize.
ćelija za ultrazvučnu elektrolizu
Za elektrolizu vode, unos ultrazvučne energije, razmak između elektroda i koncentracija elektrolita ključni su čimbenici koji utječu na elektrolizu vode i njenu učinkovitost.
Za alkalnu elektrolizu koristi se elektrolizna ćelija s vodenom otopinom kaustične kiseline od obično 20–40 % KOH ili NaOH. Električna energija se dovodi na dvije elektrode.
Elektrodni katalizatori mogu se koristiti za ubrzavanje brzine reakcije. Na primjer, Pt elektrode su povoljne jer se reakcija odvija lakše.
Znanstveni istraživački članci izvješćuju o uštedi energije od 10%-25% korištenjem ultrazvučno potaknute elektrolize vode.
Ultrazvučni elektrolizatori za proizvodnju vodika u pilotskim i industrijskim razmjerima
Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori izgrađeni su za rad 24/7/365 pod punim opterećenjem iu teškim procesima.
Dobavljajući robusne ultrazvučne sustave, posebno dizajnirane sonotrode (sonde), koje istovremeno funkcioniraju kao elektroda i ultrazvučni prijenosnik valova, i reaktore za elektrolizu, Hielscher Ultrasonics zadovoljava specifične zahtjeve za elektrolitičku proizvodnju vodika. Svi digitalni industrijski ultrazvučni uređaji UIP serije (UIP500hdT (500 vata), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2kW), i UIP4000hdT (4kW)) su ultrazvučne jedinice visokih performansi za aplikacije elektrolize.
Ultrazvučna sonda UIP2000hdT funkcionira kao anoda. Primijenjeni ultrazvučni valovi intenziviraju elektrolitičku sintezu vodika.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0.02 do 5L | 0.05 do 1L/min | UIP500hdT |
| 0.05 do 10L | 0.1 do 2L/min | UIP1000hdT |
| 0.07 do 15L | 0.15 do 3L/min | UIP1500hdT |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Činjenice koje vrijedi znati
Što je vodik?
Vodik je kemijski element sa simbolom H i atomskim brojem 1. Sa standardnom atomskom težinom od 1,008, vodik je najlakši element u periodnom sustavu. Vodik je najzastupljenija kemijska tvar u svemiru, koja čini otprilike 75% ukupne barionske mase. H2 je plin koji nastaje kada se dva atoma vodika povežu zajedno i postanu molekula vodika. H2 se također naziva molekularni vodik i dvoatomna je, homonuklearna molekula. Sastoji se od dva protona i dva elektrona. Budući da ima neutralan naboj, molekularni vodik je stabilan i stoga je najčešći oblik vodika.
Kada se vodik proizvodi u industrijskim razmjerima, prirodni plin koji se dobiva parnom reformom najrašireniji je oblik proizvodnje. Alternativna metoda je elektroliza vode. Većina vodika proizvodi se u blizini mjesta njegove kasnije upotrebe, npr. u blizini postrojenja za obradu fosilnih goriva (npr. hidrokreking) i proizvođača gnojiva na bazi amonijaka.
Literatura / Reference
- 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.