Učinkovita proizvodnja vodika ultrazvukom
Vodik je alternativno gorivo kojem se daje prednost zbog njegove prihvatljivosti za okoliš i nulte emisije ugljikova dioksida. Međutim, konvencionalno dobivanje vodika nije dovoljno učinkovito za ekonomičnu masovnu proizvodnju. Ultrazvučno potpomognuta elektroliza vode i alkalnih vodenih otopina rezultira većim prinosima vodika, većom brzinom reakcije i većom brzinom pretvorbe. Ultrazvučno potpomognuta elektroliza čini proizvodnju vodika ekonomičnom i energetski učinkovitom.
Ultrazvučno potpomognute elektrokemijske reakcije poput elektrolize i elektrokoagulacije pokazuju poboljšanu brzinu i stopu reakcije te veće prinose.
Ubrzajte proizvodnju vodika snagom ultrazvuka i elektrokemije
Kombinirajte učinkovitost ultrazvučne kavitacije s preciznošću elektrokemijskih reakcija kako biste postigli veće prinose vodika i manju potrošnju energije. Napredni sonoelektrokemijski sustavi Hielscher poboljšavaju prijenos mase, povećavaju aktivnost katalizatora i optimiziraju površine elektroda za ujednačeno dobivanje H₂ visokog učinka.
Ključne prednosti:
- Poboljšan prijenos mase: Ultrazvučni valovi smanjuju debljinu difuzijskog sloja, osiguravajući učinkovitu dopremu reaktanata do elektroda.
- Poboljšana stabilnost katalizatora: Sonikacija sprječava aglomeraciju nanočestica, održavajući visoku katalitičku aktivnost tijekom vremena.
- Energetska učinkovitost: Optimizirajte unos energije iskorištavanjem mikromiješanja i čišćenja površina izazvanih kavitacijom.
Osigurajte ujednačenu kavitaciju visokog intenziteta pouzdanim ultrazvučnim procesorima projektiranima za kontinuiranu proizvodnju H₂ 24/7. Saznajte detaljne informacije o našim ultrazvučnim rješenjima velike snage i razgovarajte s našim stručnjacima za sonikaciju!
2x ultrazvučna procesora modela UIP2000hdT sa sondama, koje djeluju kao elektrode, odnosno katoda i anoda. Ultrazvučne vibracije i kavitacija pospješuju elektrokemijsku proizvodnju vodika.
Učinkovito dobivanje vodika sonikacijom
Elektroliza vode i vodenih otopina radi dobivanja vodika obećavajući je postupak za proizvodnju čiste energije. Elektroliza vode elektrokemijski je proces u kojem se električna energija primjenjuje za razlaganje vode na dva plina, odnosno vodik (H₂) i kisik (O₂). Kako bi se elektrolizom raskinule veze H – O – H, kroz vodu se propušta električna struja.
Za elektrolitičku reakciju primjenjuje se istosmjerna električna struja kako bi se pokrenula reakcija koja inače nije spontana. Elektrolizom se može dobiti vodik visoke čistoće u jednostavnom, ekološki prihvatljivom, zelenom procesu s nultom emisijom CO₂ jer je O₂ jedini nusproizvod.
Pri elektrolizi vode razlaganje vode na kisik i vodik postiže se propuštanjem električne struje kroz vodu.
U čistoj vodi na negativno nabijenoj katodi odvija se reakcija redukcije u kojoj se elektroni (e−) s katode predaju kationima vodika, pri čemu nastaje plinoviti vodik. Na pozitivno nabijenoj anodi odvija se reakcija oksidacije u kojoj nastaje plinoviti kisik uz predaju elektrona anodi. To znači da voda reagira na anodi stvarajući kisik i pozitivno nabijene vodikove ione (protone). Time se dobiva 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)
Za elektrolizu radi proizvodnje vodika često se upotrebljava alkalna voda. Alkalne soli topljivi su hidroksidi alkalijskih i zemnoalkalijskih metala, a uobičajeni su primjeri natrijev hidroksid (NaOH, poznat i kao kaustična soda) i kalijev hidroksid (KOH, poznat i kao kaustična potaša). Za elektrolizu se uglavnom upotrebljavaju kaustične otopine koncentracije od 20% do 40%.
Sonoelektrokemijska proizvodnja vodika na ultrazvučnoj katodi.
Ultrazvučna sinteza vodika
Kada se plinoviti vodik proizvodi elektrolitičkom reakcijom, vodik se sintetizira upravo pri potencijalu razlaganja. Površina elektroda područje je na kojem tijekom elektrokemijske reakcije dolazi do nastajanja vodika na molekularnoj razini. Molekule vodika stvaraju jezgre na površini elektrode, nakon čega se oko katode pojavljuju mjehurići plinovitog vodika. Upotreba ultrazvučnih elektroda poboljšava impedancije aktivnosti i koncentracijsku impedanciju te ubrzava uzdizanje mjehurića vodika tijekom elektrolize vode. Nekoliko je istraživanja pokazalo da ultrazvučna proizvodnja vodika učinkovito povećava prinose vodika.
- Veći prinosi vodika
- Poboljšana energetska učinkovitost
➡️ Primijenite sonikaciju za:
- Povećan prijenos tvari
- Ubrzano smanjenje akumulirane impedancije
- Smanjen omski pad napona
- Smanjen reakcijski prenapon
- Smanjen potencijal razlaganja
- Otplinjavanje vode / vodene otopine
- Čišćenje katalizatora na elektrodama
Učinci ultrazvuka na elektrolizu
Elektroliza pobuđena ultrazvukom poznata je i kao sonoelektroliza. Različiti ultrazvučni čimbenici sonomehaničke i sonokemijske prirode utječu na elektrokemijske reakcije i pospješuju ih.
- Ultrazvučni valovi stvaraju mjehuriće
- Mjehurići kolabiraju
- Ekstremna toplina razlaže molekule vode
Čimbenici koji utječu na elektrolizu posljedica su kavitacije i vibracija izazvanih ultrazvukom, a uključuju akustično strujanje, mikroturbulencije, mikromlazove, udarne valove te sonokemijske učinke. Ultrazvučna / akustična kavitacija nastaje kada se ultrazvučni valovi visokog intenziteta prenose u tekućinu. Pojavu kavitacije karakteriziraju rast i kolaps takozvanih kavitacijskih mjehurića. Imploziju mjehurića obilježavaju iznimno intenzivne sile koje djeluju lokalno. Te sile uključuju intenzivno lokalno zagrijavanje do 5000K, visoke tlakove do 1000 atm te goleme brzine zagrijavanja i hlađenja (>100k/sec) i izazivaju jedinstveno međudjelovanje tvari i energije. Primjerice, te kavitacijske sile utječu na vodikove veze u vodi i olakšavaju razdvajanje nakupina molekula vode, što zatim dovodi do smanjene potrošnje energije za elektrolizu.
Utjecaj ultrazvuka na elektrode
- Uklanjanje naslaga s površine elektrode
- Aktivacija površine elektrode
- Prijenos elektrolita prema elektrodama i od njih
Ultrazvučno čišćenje i aktivacija površina elektroda
Prijenos tvari jedan je od ključnih čimbenika koji utječu na stopu reakcije, njezinu brzinu i prinos. Tijekom elektrolitičkih reakcija produkti reakcije, primjerice talozi, nakupljaju se oko površina elektroda i izravno na njima te usporavaju elektrolitičku pretvorbu svježe otopine na elektrodi. Elektrolitički procesi pospješeni ultrazvukom pokazuju povećan prijenos tvari u glavnini otopine i u blizini površina. Ultrazvučne vibracije i kavitacija uklanjaju pasivacijske slojeve s površina elektroda i time ih trajno održavaju potpuno učinkovitima. Nadalje, poznato je da sonikacija pospješuje reakcijske putove sonokemijskim učincima.
Niži omski pad napona, reakcijski prenapon i potencijal razlaganja
Napon potreban za odvijanje elektrolize poznat je kao potencijal razlaganja. Ultrazvuk može sniziti potreban potencijal razlaganja u procesima elektrolize.
Ultrazvučna elektrolitička ćelija
Pri elektrolizi vode unos ultrazvučne energije, razmak između elektroda i koncentracija elektrolita ključni su čimbenici koji utječu na elektrolizu vode i njezinu učinkovitost.
Za alkalnu elektrolizu upotrebljava se elektrolitička ćelija s vodenom otopinom lužine, obično s 20%–40% KOH ili NaOH. Električna energija dovodi se na dvije elektrode.
Katalizatori na elektrodama mogu se upotrebljavati za povećanje brzine reakcije. Primjerice, Pt elektrode povoljne su jer se reakcija lakše odvija.
Znanstveni istraživački članci navode uštedu energije od 10%–25% primjenom elektrolize vode pospješene ultrazvukom.
Ultrazvučni elektrolizatori za proizvodnju vodika u pilotnom i industrijskom mjerilu
Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics konstruirani su za rad 24/7/365 pri punom opterećenju i u zahtjevnim procesima.
Isporukom robusnih ultrazvučnih sustava, posebno konstruiranih sonotroda (sondi), koje istodobno služe kao elektrode i odašiljači ultrazvučnih valova, te reaktora za elektrolizu, Hielscher Ultrasonics zadovoljava specifične zahtjeve elektrolitičke proizvodnje vodika. Svi digitalni industrijski ultrazvučni uređaji serije UIP (UIP500hdT (500 vata), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) i UIP4000hdT (4kW)) ultrazvučni su uređaji visokih performansi za primjene u elektrolizi.
Ultrazvučna sonda uređaja UIP2000hdT djeluje kao anoda. Primijenjeni ultrazvučni valovi intenziviraju elektrolitičku sintezu vodika.
Tablica u nastavku daje pregled naših sonikatora i sonoelektroda za elektrokemijsku proizvodnju H₂ – od istraživačkog laboratorija do proizvodnje:
| Sonikator | Snaga ultrazvuka | Volumen |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Epruveta Falcon |
| UP100H | 100W | 10 do 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 do 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0,2 do 4L/min |
Optimizirajte prinos vodika sonikacijom!
Sonoelektrokemijska ćelija za poboljšanu sintezu H2
Česta pitanja – Sonoelektrokemijska proizvodnja vodika
Što je vodik?
Vodik je kemijski element sa simbolom H i atomskim brojem 1. Sa standardnom atomskom masom od 1,008, vodik je najlakši element u periodnom sustavu. Vodik je najzastupljenija kemijska tvar u svemiru i čini približno 75% ukupne barionske mase. H₂ je plin koji nastaje kada se dva atoma vodika povežu i tvore molekulu vodika. H₂ se naziva i molekularnim vodikom te je dvoatomna, homonuklearna molekula. Sastoji se od dva protona i dva elektrona. Budući da je električki neutralan, molekularni vodik je stabilan i stoga najčešći oblik vodika.
Pri proizvodnji vodika u industrijskom mjerilu najčešće se primjenjuje parno reformiranje prirodnog plina. Alternativna metoda je elektroliza vode. Većina vodika proizvodi se u blizini mjesta njegove kasnije uporabe, primjerice u blizini postrojenja za preradu fosilnih goriva (npr. hidrokrekiranje) i proizvođača gnojiva na bazi amonijaka.
Što je sonoelektrokemijska sinteza vodika?
Sonoelektrokemijska sinteza hibridna je tehnika koja kombinira ultrazvučnu kavitaciju s elektrokemijskim cijepanjem vode. Primjenom visokofrekventnih zvučnih valova – odnosno ultrazvuka – na elektrokemijski reaktor, proces poboljšava prijenos mase, čisti površine elektroda i poboljšava ukupnu učinkovitost proizvodnje vodika u usporedbi s tradicionalnom elektrolizom.
Kako ultrazvuk poboljšava prinos vodika pri elektrolizi?
Ultrazvuk poboljšava proizvodnju vodika prvenstveno akustičnom kavitacijom. Nastanak i kolaps mikroskopskih mjehurića stvaraju intenzivnu mikroturbulenciju koja smanjuje debljinu difuzijskog sloja na površini elektrode. Time se osigurava brža opskrba katalizatora reaktantima i pomaže učinkovitijem uklanjanju mjehurića plinovitog vodika, čime se sprječava „zaklanjanje plinom” i omogućuju veće gustoće struje.
Koje su prednosti uporabe industrijskog sonikatora za sintezu vodika?
Uporaba ultrazvučnih procesora visokog intenziteta, poput uređaja UIP2000hdT iz industrijske serije UIP tvrtke Hielscher, nudi nekoliko prednosti:
- Povećana aktivnost katalizatora: Sonikacija sprječava aglomeraciju nanočestica i održava visoku aktivnost katalizatora (poput Pt, TiO₂ ili Ni).
- Čišćenje elektroda: Ultrazvuk kontinuirano čisti površine elektroda, smanjuje polarizaciju i produljuje vijek trajanja komponenti reaktora.
- Mogućnost povećanja mjerila: Ovi su sustavi konstruirani za kontinuirani rad 24/7, što ih čini prikladnima i za laboratorijska istraživanja i za proizvodnju vodika u industrijskom mjerilu.
Koja je uloga kavitacije u sonoelektrokemijskim reakcijama?
Akustična kavitacija temeljni je mehanizam u sonoelektrokemiji. Kada ultrazvučni valovi prolaze kroz tekućinu, stvaraju naizmjenične cikluse visokog i niskog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka nastaju i rastu sićušni vakuumski mjehurići; tijekom ciklusa visokog tlaka implozivno kolabiraju. Taj kolaps lokalno stvara ekstremne temperature i tlakove, što može olakšati kemijske reakcije i znatno poboljšati kontakt između elektroda i elektrolita.
Može li se sonoelektrokemija primjenjivati s obnovljivim izvorima energije?
Da. Sonoelektrokemijski sustavi mogu se integrirati s obnovljivim izvorima energije kao što su sunčeva energija ili energija vjetra. Sposobnost ultrazvučnih procesora da učinkovito rade pri različitim razinama snage čini ih izvrsnim izborom za opskrbu energijom s prekidima, uz mogućnost smanjenja ugljičnog otiska proizvodnje zelenog vodika.
Kako se sonoelektrokemijska proizvodnja vodika uspoređuje s tradicionalnim parnim reformiranjem metana?
Za razliku od parnog reformiranja metana (SMR), koje se oslanja na fosilna goriva i oslobađa znatne količine CO₂, sonoelektrokemijska sinteza obično upotrebljava vodu kao sirovinu. Iako je SMR trenutačno etabliraniji postupak, sonoelektrokemija nudi čišću, “zelenu” alternativu koja se može napajati električnom energijom iz obnovljivih izvora, što je čini ključnom tehnologijom za održivo gospodarstvo temeljeno na vodiku.
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.
- 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.