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.

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.

 
Ami a víz elektrolízisét illeti, a víz oxigénre és hidrogénre történő felosztását elektromos áram áthaladásával érik el 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 katódnál)
2 óra₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (vízoldva) + 4e^– (oxidáció az anódnál)
Teljes reakció: 2H₂O (l) → 2H₂ g) + O₂ vagy
 
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 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.

 

Ultrahangos hatások az elektrolízisre

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.
 
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

A tömegátadás az egyik döntő tényező, amely befolyásolja a reakciósebességet, a sebességet és a hozamot. Az elektrolitikus reakciók során a reakciótermék, pl. kicsapódik, felhalmozódik az elektróda felületén és közvetlenül azokon is, és lelassítja a friss oldat elektródává történő elektrolitikus átalakulását. Az ultrahanggal támogatott elektrolitikus folyamatok megnövekedett tömegátadást mutatnak az ömlesztett oldatban és a felületek közelében. Az ultrahangos rezgés és kavitáció eltávolítja a passziválási rétegeket az elektróda felületeiről, és ezáltal tartósan teljesen hatékonyan tartja őket. Továbbá ismert, hogy a szonifikáció fokozza a reakcióutakat szonokémiai hatásokkal.

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 alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását: