Hatékony hidrogéntermelés ultrahanggal
A hidrogén alternatív üzemanyag, amely környezetbarát jellege és nulla szén-dioxid-kibocsátása miatt előnyösebb. A hagyományos hidrogéntermelés azonban nem hatékony a gazdaságos tömegtermeléshez. A víz és lúgos víz oldatok ultrahanggal támogatott elektrolízise magasabb hidrogénhozamot, reakciósebességet és konverziós sebességet eredményez. Az ultrahanggal segített elektrolízis gazdaságossá és energiahatékonnyá teszi a hidrogéntermelést.
Az ultrahanggal támogatott elektrokémiai reakciók, mint például az elektrolízis és az elektrokoaguláció jobb reakciósebességet, sebességet és hozamokat mutatnak.
A hidrogéntermelés felgyorsítása ultrahang és elektrokémia segítségével
Az ultrahangos kavitáció hatékonyságát az elektrokémiai reakciók pontosságával ötvözve magasabb hidrogénhozamot és alacsonyabb energiafogyasztást érhetünk el. A Hielscher fejlett sono-elektrokémiai rendszerei fokozzák a tömegátadást, javítják a katalizátor aktivitását, és optimalizálják az elektródfelületeket az állandó, nagy teljesítményű H₂-előállítás érdekében.
Főbb előnyök:
- Továbbfejlesztett tömegátvitel: Az ultrahanghullámok csökkentik a diffúziós réteg vastagságát, így biztosítva a reagens hatékony eljutását az elektródákhoz.
- A katalizátor stabilitásának javítása: Az ultrahangkezelés megakadályozza a nanorészecskék összetapadását, így hosszú távon is biztosítja a magas katalitikus aktivitást.
- Energiahatékonyság: A kavitáció által kiváltott mikrokeverés és felületi tisztítás kihasználásával optimalizálja az energiafelhasználást.
Biztosítson egyenletes, nagy intenzitású kavitációt a 24 órás, hétköznapi H₂-előállításra tervezett, megbízható ultrahangos berendezéseinkkel. Szerezzen részletes információkat nagy teljesítményű ultrahangos megoldásainkról, és vegye fel a kapcsolatot ultrahangos kezelési szakértőinkkel!
2x ultrahangos processzor az UIP2000hdT modellből szondákkal, amelyek elektródákként, azaz katódként és anódként működnek. Az ultrahang rezgés és kavitáció elősegíti az elektrokémiai hidrogéntermelést.
Hatékony hidrogéntermelés szonikálással
A víz és a vizes oldatok elektrolízise hidrogéntermelés céljából ígéretes folyamat a tiszta energia előállításához. A víz elektrolízise elektrokémiai folyamat, ahol villamos energiát alkalmaznak a víz két gázra, nevezetesen hidrogénre (H2) és oxigénre (O2) történő felosztására. Annak érdekében, hogy hasítsuk a H – O – H kötések elektrolízissel, elektromos áram fut át a vízen.
Az elektrolitikus reakcióhoz közvetlen elektromos valutát alkalmaznak egy más-bölcs, nem spontán reakció elindítására. Az elektrolízis nagy tisztaságú hidrogént képes előállítani egyszerű, környezetbarát, zöld eljárással, nulla CO2-kibocsátással, mivel az O2 az egyetlen melléktermék.
A víz elektrolízisével kapcsolatban: a víz oxigénre és hidrogénre történő felbontását úgy érik el, hogy elektromos áramot vezetnek át a vízen.
A negatív töltésű katód tiszta vizében redukciós reakció megy végbe, ahol a katódból származó elektronok (e−) hidrogénkationokhoz kerülnek, így hidrogéngáz képződik. A pozitív töltésű anódnál oxidációs reakció megy végbe, amely oxigéngázt generál, miközben elektronokat ad az anódnak. Ez azt jelenti, hogy a víz reakcióba lép az anódon, oxigént és pozitív töltésű hidrogénionokat (protonokat) képezve. Ezzel az energiamérleg következő egyenlete teljesedik ki:
2 óra+ (vízoldva) + 2e– → H₂ (g) (redukció a katódon)
2 óra2O (l) → O2 (g) + 4H+ (vízoldva) + 4e– (oxidáció az anódnál)
Összesített reakció: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
Gyakran lúgos vizet használnak az elektrolízishez hidrogén előállításához. Az alkálisók alkálifémek és alkáliföldfémek oldható hidroxidjai, amelyek gyakori példái: nátrium-hidroxid (NaOH, más néven marónátron) és kálium-hidroxid (KOH, más néven maró kálium). Az eletcrolysis esetében főként 20-40% -os maró oldatot alkalmazunk.
A hidrogén szono-elektrokémiai előállítása ultrahangos katódon.
A hidrogén ultrahangos szintézise
Amikor elektrolitikus reakcióban hidrogéngáz keletkezik, a hidrogén közvetlenül a bomlási potenciálon szintetizálódik. Az elektródák felülete az a terület, ahol az elektrokémiai reakció során molekuláris szinten hidrogénképződés történik. A hidrogénmolekulák az elektróda felületén nukleálódnak, így később hidrogéngázbuborékok vannak jelen a katód körül. Az ultrahangos elektródák használata javítja az aktivitási impedanciákat és a koncentrációs impedanciát, és felgyorsítja a hidrogénbuborékok emelkedését a víz elektrolízise során. Számos tanulmány kimutatta, hogy az ultrahangos hidrogéntermelés hatékonyan növeli a hidrogénhozamot.
- Magasabb hidrogénhozam
- Jobb energiahatékonyság
➡️ Használja az ultrahangkezelést a következőkre:
- Megnövelt tömegátvitel
- A felhalmozódott impedancia gyorsított csökkentése
- Csökkentett ohmikus feszültségesés
- Csökkent reakció túlpotenciál
- Csökkent bomlási potenciál
- Víz / vizes oldat gáztalanítása
- Elektróda katalizátorok tisztítása
Ultrahangos hatások az elektrolízisre
Az ultrahanggal gerjesztett elektrolízist sonoelektrolízis néven is ismerik. A szonomechanikai és szonokémiai jellegű különböző ultrahangos tényezők befolyásolják és elősegítik az elektrokémiai reakciókat.
- Az ultrahanghullámok buborékokat hoznak létre
- A buborékok összeomlanak
- A rendkívüli hőség szétválasztja a vízmolekulákat
Az elektrolízist befolyásoló tényezők az ultrahang által kiváltott kavitáció és rezgés következményei, és ide tartoznak az akusztikus áramlás, a mikroturbulenciák, a mikrosugarak, a lökéshullámok, valamint a szonokémiai hatások. Ultrahangos/akusztikus kavitáció akkor lép fel, amikor nagy intenzitású ultrahanghullámok hatnak a folyadékra. A kavitáció jelenségét az úgynevezett kavitációs buborékok kialakulása és összeomlása jellemzi. A buborékok összeomlását rendkívül intenzív, helyileg fellépő erők jellemzik. Ezek az erők magukban foglalják az akár 5000 K-ig terjedő intenzív helyi felmelegedést, az akár 1000 atm-ig terjedő magas nyomást, valamint a hatalmas felmelegedési és lehűlési sebességeket (>100k/sec), és egyedülálló kölcsönhatást váltanak ki az anyag és az energia között. Például ezek a kavitációs erők hatással vannak a vízben lévő hidrogénkötésekre, és elősegítik a vízklaszterek szétválását, ami következésképpen az elektrolízis energiafogyasztásának csökkenését eredményezi.
Ultrahangos hatás az elektródákra
- A lerakódások eltávolítása az elektróda felületéről
- Az elektróda felületének aktiválása
- Elektrolitok szállítása elektródák felé és az elektródáktól távolabb
Ultrahangos tisztítás és az elektródafelületek aktiválása
Az anyagátvitel a reakciósebességet, a reakció gyorsaságát és a hozamot befolyásoló egyik legfontosabb tényező. Az elektrolitikus reakciók során a reakciótermékek – például a kicsapódások – felhalmozódnak az elektródák felületén és azok körül, és lassítják a friss oldat elektrolitikus átalakulását az elektródán. Az ultrahanggal elősegített elektrolitikus folyamatok során fokozott anyagátvitel figyelhető meg a megoldás belsejében és a felületek közelében egyaránt. Az ultrahangos rezgés és a kavitáció eltávolítja a passzivációs rétegeket az elektródák felületéről, így azok tartósan teljes hatékonyságukban maradnak. Ezen felül ismert, hogy az ultrahangkezelés szonokémiai hatások révén javítja a reakcióútvonalakat.
Alacsonyabb ohmikus feszültségesés, reakció túlpotenciál és bomlási potenciál
Az elektrolízishez szükséges feszültséget bomlási potenciálnak nevezik. Az ultrahang csökkentheti a szükséges bomlási potenciált az elektrolízis folyamatokban.
ultrahangos elektrolízis cella
A víz elektrolíziséhez az ultrahangos energiabevitel, az elektródarés és az elektrolitkoncentráció kulcsfontosságú tényezők, amelyek befolyásolják a víz elektrolízisét és hatékonyságát.
Lúgos elektrolízishez elektrolíziscellát használunk, amelynek vizes maró oldata általában 20–40% KOH vagy NaOH. Az elektromos energiát két elektródára alkalmazzák.
Az elektróda katalizátorok felhasználhatók a reakciósebesség felgyorsítására. Például a Pt elektródák kedvezőek, mivel a reakció könnyebben megy végbe.
A tudományos kutatási cikkek 10% -25% -os energiamegtakarításról számolnak be a víz ultrahanggal támogatott elektrolízisével.
Ultrahangos elektrolizátorok hidrogéntermeléshez kísérleti és ipari méretekben
Hielscher Ultrasonics’ Az ipari ultrahangos processzorok a 24/7/365 működésre épülnek teljes terhelés alatt és nagy teherbírású folyamatokban.
A robusztus ultrahangos rendszerek, speciális kialakítású sonotrodes (szondák) szállításával, amelyek egyidejűleg elektródaként és ultrahanghullám-adóként működnek, valamint elektrolízis reaktorok, Hielscher Ultrasonics kielégíti az elektrolitikus hidrogéntermelés speciális követelményeit. Minden digitális ipari ultrasonicators az UIP sorozat (UIP500hdt (500 watt), UIP1000hdt (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2 kW), és UIP4000hdt (4kW)) nagy teljesítményű ultrahangos egységek elektrolízis alkalmazásokhoz.
Az UIP2000hdT ultrahangos szondája anódként működik. Az alkalmazott ultrahangos hullámok fokozzák a hidrogén elektrolitikus szintézisét.
Az alábbi táblázat áttekintést nyújt az elektrokémiai H₂-előállításhoz használt ultrahangos készülékeinkről és ultrahangos elektródáinkról. – a kutatólaboratóriumtól a gyártásig:
| szonikátor | Ultrahangteljesítmény | térfogat |
|---|---|---|
| VialMagassugárzó | 200 W | Sólyom cső |
| UP100H | 100W | 10–200 ml/perc |
| UP400ST | 400 W | 20–400 ml/perc |
| UIP2000hdT | 2000W | 0.2-től 4 liter/percig |
Optimalizálja a hidrogénhozamát ultrahangos kezeléssel!
Sonoelektrokémiai cella a H₂-szintézis javítására
GYIK – Sono-elektrokémiai hidrogéntermelés
Mi az a hidrogén?
A hidrogén a kémiai elem, amelynek szimbóluma H és atomszáma 1. 1, 008 standard atomtömegével a hidrogén a periódusos rendszer legkönnyebb eleme. A hidrogén a leggyakoribb kémiai anyag az univerzumban, amely az összes bariontömeg nagyjából 75% -át teszi ki. A H2 olyan gáz, amely akkor keletkezik, amikor két hidrogénatom összekapcsolódik és hidrogénmolekulává válik. A H2-t molekuláris hidrogénnek is nevezik, és diatóma, homonukleáris molekula. Két protonból és két elektronból áll. Semleges töltéssel a molekuláris hidrogén stabil, és ezáltal a hidrogén leggyakoribb formája.
Amikor a hidrogént ipari méretekben állítják elő, a gőzreformáló földgáz a legszélesebb körben használt termelési forma. Egy másik módszer a víz elektrolízise. A hidrogén nagy részét az utóbbi felhasználás helyének közelében állítják elő, például fosszilis tüzelőanyagokat feldolgozó létesítmények (pl. hidrokrakkolás) és ammóniaalapú műtrágyagyártók közelében.
Mi az a hidrogén szono-elektrokémiai előállítása?
A szono-elektrokémiai szintézis egy hibrid technika, amely az ultrahangos kavitációt az elektrokémiai vízhasítással ötvözi. Nagyfrekvenciás hanghullámok alkalmazásával – azaz ultrahang – egy elektrokémiai reaktorban a folyamat fokozza a tömegátadást, megtisztítja az elektródák felületét, és javítja a hidrogénelőállítás általános hatékonyságát a hagyományos elektrolízishez képest.
Hogyan javítja az ultrahang a hidrogénhozamot az elektrolízis során?
Az ultrahang elsősorban az akusztikus kavitáció révén javítja a hidrogéntermelést. A mikroszkopikus buborékok kialakulása és összeomlása intenzív mikroturbulenciát hoz létre, amely csökkenti a diffúziós réteg vastagságát az elektróda felületén. Ez biztosítja a reagensanyagok gyorsabb eljutását a katalizátorhoz, és elősegíti a hidrogéngáz-buborékok hatékonyabb eltávolítását, megakadályozva ezzel “gázvédő burkolat” és nagyobb áramsűrűségek elérését teszi lehetővé.
Milyen előnyei vannak az ipari ultrahangos készülék használatának a hidrogénszintézis során?
Az olyan nagy teljesítményű ultrahangos feldolgozóberendezések használata, mint a Hielscher ipari minőségű UIP-sorozatának UIP2000hdT modellje, számos előnnyel jár:
- Fokozott katalizátoraktivitás: Az ultrahangkezelés megakadályozza a nanorészecskék összetapadását, így a katalizátorok (például a Pt, a TiO₂ vagy a Ni) magas aktivitását biztosítja.
- Elektródák tisztítása: Az ultrahang folyamatosan tisztítja az elektródák felületét, ezzel csökkentve a polarizációt és meghosszabbítva a reaktor alkatrészeinek élettartamát.
- Méretezhetőség: Ezeket a rendszereket folyamatos, 24 órás, hét napos üzemre tervezték, így alkalmasak mind a laboratóriumi kutatásra, mind az ipari méretű hidrogénelőállításra.
Milyen szerepet játszik a kavitáció a szono-elektrokémiai reakciókban?
Az akusztikus kavitáció a szonoelektrokémia alapvető mechanizmusa. Amikor az ultrahanghullámok áthaladnak egy folyadékon, váltakozó magas- és alacsony nyomású ciklusokat hoznak létre. Az alacsony nyomású ciklus során apró vákuumbuborékok keletkeznek és növekednek; a magas nyomású ciklus során ezek implozív módon összeomlanak. Ez az összeomlás helyi szinten rendkívüli hőmérsékleteket és nyomásokat generál, amelyek elősegíthetik a kémiai reakciókat, és jelentősen javíthatják az elektródák és az elektrolit közötti érintkezést.
Alkalmazható-e a szonoelektrokémia a megújuló energiaforrásokkal?
Igen. A szono-elektrokémiai rendszerek integrálhatók olyan megújuló energiaforrásokkal, mint a nap- vagy a szélenergia. Az ultrahangos feldolgozóknak az a képessége, hogy változó teljesítményszinteken is hatékonyan működnek, kiválóan alkalmassá teszi őket az időszakos energiaellátáshoz, ami potenciálisan csökkentheti a zöld hidrogéntermelés szénlábnyomát.
Hogyan viszonyul a sono-elektrokémiai hidrogénelőállítás a hagyományos gőzzel történő metánreformáláshoz?
A fosszilis tüzelőanyagokra támaszkodó és jelentős mennyiségű CO₂-t kibocsátó gőz-metán-reformálással (SMR) ellentétben a szono-elektrokémiai szintézis általában vizet használ alapanyagként. Bár az SMR jelenleg elterjedtebb, a szono-elektrokémia tisztább, “zöld” olyan alternatíva, amely megújuló energiaforrásokból származó villamos energiával működtethető, így kulcsfontosságú technológiává válik a fenntartható hidrogénalapú gazdaság számára.
Irodalom / Hivatkozások
- 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.