Ջրածնի արդյունավետ արտադրություն ուլտրաձայնի միջոցով

Ջրածինն այլընտրանքային վառելիք է, որը նախընտրելի է շրջակա միջավայրի նկատմամբ բարենպաստ լինելու և ածխածնի երկօքսիդի զրոյական արտանետումների շնորհիվ։ Սակայն ջրածնի ստացման ավանդական եղանակները արդյունավետ չեն տնտեսապես շահավետ զանգվածային արտադրության համար։ Ուլտրաձայնով խթանվող ջրի և ալկալային ջրային լուծույթների էլեկտրոլիզը հանգեցնում է ջրածնի ելքի, ռեակցիայի արագության և փոխարկման արագության բարձրացման։ Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ էլեկտրոլիզը ջրածնի արտադրությունը դարձնում է տնտեսապես շահավետ և էներգաարդյունավետ։
Ուլտրաձայնով խթանվող էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները, ինչպիսիք են էլեկտրոլիզը և էլեկտրակոագուլյացիան, ցուցաբերում են ռեակցիայի ընթացքի տեմպի, արագության և ելքերի բարելավում։

Արագացրեք ջրածնի արտադրությունը ուլտրաձայնի և էլեկտրաքիմիայի հզորությամբ

Համատեղեք ուլտրաձայնային կավիտացիայի արդյունավետությունը էլեկտրաքիմիական ռեակցիաների ճշգրտության հետ՝ ջրածնի ավելի բարձր ելքի և էներգիայի ավելի ցածր սպառման հասնելու համար։ Hielscher ընկերության առաջադեմ սոնոէլեկտրաքիմիական համակարգերը ուժեղացնում են զանգվածափոխանակությունը, բարելավում կատալիզատորի ակտիվությունը և օպտիմալացնում էլեկտրոդների մակերևույթները՝ ապահովելով H₂ գազի կայուն, բարձրարդյունավետ ստացում։
Հիմնական առավելությունները.

• Ուժեղացված զանգվածափոխանակություն. Ուլտրաձայնային ալիքները նվազեցնում են դիֆուզիոն շերտի հաստությունը՝ ապահովելով ռեագենտների արդյունավետ մատակարարումը էլեկտրոդներին։
• Կատալիզատորի բարելավված կայունություն. Ուլտրաձայնային մշակումը կանխում է նանոմասնիկների ագլոմերացումը՝ ժամանակի ընթացքում պահպանելով կատալիտիկ բարձր ակտիվությունը։
• Էներգաարդյունավետություն. Օպտիմալացրեք էներգիայի ներմուծումը՝ օգտվելով կավիտացիայով առաջացող միկրոխառնումից և մակերևույթի մաքրումից։

Ջրածնի արդյունավետ ստացում ուլտրաձայնային մշակմամբ

Ջրածին ստանալու նպատակով ջրի և ջրային լուծույթների էլեկտրոլիզը մաքուր էներգիայի արտադրության խոստումնալից գործընթաց է։ Ջրի էլեկտրոլիզը էլեկտրաքիմիական գործընթաց է, որի ընթացքում էլեկտրականություն է կիրառվում՝ ջուրը երկու գազի՝ ջրածնի (H₂) և թթվածնի (O₂) տրոհելու համար։ Էլեկտրոլիզով H — O — H կապերը խզելու համար ջրի միջով էլեկտրական հոսանք են անցկացնում։
Էլեկտրոլիտային ռեակցիայի համար կիրառվում է հաստատուն էլեկտրական հոսանք՝ հարուցելու մի ռեակցիա, որն այլապես ինքնաբերաբար չի ընթանում։ Էլեկտրոլիզով կարելի է ստանալ բարձր մաքրության ջրածին՝ պարզ, շրջակա միջավայրի նկատմամբ բարենպաստ, կանաչ գործընթացով և CO₂ գազի զրոյական արտանետումներով, քանի որ միակ կողմնակի արգասիքը O₂ գազն է։
Ջրի էլեկտրոլիզի դեպքում ջրի տրոհումը թթվածնի և ջրածնի իրականացվում է ջրի միջով էլեկտրական հոսանք անցկացնելու միջոցով։
Մաքուր ջրում բացասական լիցք ունեցող կաթոդի վրա ընթանում է վերականգնման ռեակցիա, որի ընթացքում կաթոդից էլեկտրոնները (e−) փոխանցվում են ջրածնի կատիոններին, ինչի արդյունքում առաջանում է գազային ջրածին։ Դրական լիցք ունեցող անոդի վրա ընթանում է օքսիդացման ռեակցիա, որի ընթացքում առաջանում է գազային թթվածին, իսկ էլեկտրոնները փոխանցվում են անոդին։ Սա նշանակում է, որ ջուրը ռեակցիայի մեջ է մտնում անոդի վրա՝ առաջացնելով թթվածին և դրական լիցք ունեցող ջրածնի իոններ (պրոտոններ)։ Այսպիսով, ամբողջացվում է էներգետիկ հաշվեկշռի հետևյալ հավասարումը.
 
2H⁺ (aq) + 2e^— → H₂ (g) (վերականգնում կաթոդի վրա)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^— (օքսիդացում անոդի վրա)
Ընդհանուր ռեակցիան՝ 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
Ջրածին արտադրելու նպատակով էլեկտրոլիզի համար հաճախ օգտագործվում է ալկալային ջուր։ Ալկալային աղերը ալկալիական և հողալկալիական մետաղների լուծելի հիդրօքսիդներ են, որոնց տարածված օրինակներն են նատրիումի հիդրօքսիդը (NaOH, հայտնի է նաև որպես կաուստիկ սոդա) և կալիումի հիդրօքսիդը (KOH, հայտնի է նաև որպես կաուստիկ պոտաշ)։ Էլեկտրոլիզի համար հիմնականում օգտագործվում են կծու ալկալու լուծույթներ՝ 20% և 40% սահմաններում գտնվող կոնցենտրացիայով։

Ջրածնի ուլտրաձայնային սինթեզ

Երբ էլեկտրոլիտիկ ռեակցիայի ընթացքում արտադրվում է գազային ջրածին, ջրածինը սինթեզվում է հենց քայքայման պոտենցիալի դեպքում։ Էլեկտրոդների մակերևույթն այն տիրույթն է, որտեղ էլեկտրաքիմիական ռեակցիայի ընթացքում մոլեկուլային մակարդակում տեղի է ունենում ջրածնի առաջացումը։ Ջրածնի մոլեկուլները սաղմնավորվում են էլեկտրոդի մակերևույթին, ինչի հետևանքով կաթոդի շուրջ հետագայում առաջանում են գազային ջրածնի պղպջակներ։ Ուլտրաձայնային էլեկտրոդների օգտագործումը բարելավում է ակտիվության իմպեդանսները և կոնցենտրացիոն իմպեդանսը և արագացնում ջրի էլեկտրոլիզի ընթացքում ջրածնի պղպջակների վեր բարձրանալը։ Մի շարք ուսումնասիրություններ ցույց են տվել, որ ջրածնի ուլտրաձայնային արտադրությունն արդյունավետորեն մեծացնում է ջրածնի ելքը։

Ուլտրաձայնի ազդեցություններն էլեկտրոլիզի վրա

Ուլտրաձայնով գրգռված էլեկտրոլիզը հայտնի է նաև որպես սոնոէլեկտրոլիզ։ Սոնոմեխանիկական և սոնոքիմիական բնույթի տարբեր ուլտրաձայնային գործոններ ազդում են էլեկտրաքիմիական ռեակցիաների վրա և նպաստում դրանց ընթացքին։

1. Ուլտրաձայնային ալիքներն առաջացնում են պղպջակներ
2. Պղպջակները փլուզվում են
3. Ծայրահեղ ջերմությունը տրոհում է ջրի մոլեկուլները

Էլեկտրոլիզի վրա ազդող գործոնները ուլտրաձայնով հարուցված կավիտացիայի և թրթռման արդյունք են և ներառում են ակուստիկ հոսքը, միկրոտուրբուլենտությունները, միկրոշիթերը, հարվածային ալիքները, ինչպես նաև սոնոքիմիական ազդեցությունները։ Ուլտրաձայնային / ակուստիկ կավիտացիան առաջանում է, երբ բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքները ներմուծվում են հեղուկի մեջ։ Կավիտացիայի երևույթը բնութագրվում է այսպես կոչված կավիտացիոն պղպջակների աճով և փլուզմամբ։ Պղպջակի՝ դեպի ներս փլուզումը բնութագրվում է տեղային առաջացող գերինտենսիվ ուժերով։ Այս ուժերը ներառում են ինտենսիվ տեղային տաքացում՝ մինչև 5000K, բարձր ճնշումներ՝ մինչև 1000 atm, և տաքացման ու սառեցման հսկայական արագություններ (>100k/sec), և առաջացնում են նյութի ու էներգիայի յուրահատուկ փոխազդեցություն։ Օրինակ՝ այդ կավիտացիոն ուժերն ազդում են ջրում ջրածնային կապերի վրա և հեշտացնում ջրի կլաստերների տրոհումը, ինչն իր հերթին հանգեցնում է էլեկտրոլիզի համար էներգիայի սպառման նվազեցմանը։
 
Ուլտրաձայնի ազդեցությունն էլեկտրոդների վրա

• Էլեկտրոդի մակերևույթից նստվածքների հեռացում
• 
Էլեկտրոդի մակերևույթի ակտիվացում
• Էլեկտրոլիտների տեղափոխում դեպի էլեկտրոդներ և դրանցից հեռու

Էլեկտրոդների մակերևույթների ուլտրաձայնային մաքրում և ակտիվացում

Զանգվածափոխանակությունը ռեակցիայի ընթացքի արագության, արագության և ելքի վրա ազդող վճռորոշ գործոններից մեկն է։ Էլեկտրոլիտիկ ռեակցիաների ընթացքում ռեակցիայի արգասիքը, օրինակ՝ նստվածքները, կուտակվում են էլեկտրոդների մակերևույթների շուրջ, ինչպես նաև անմիջապես դրանց վրա և դանդաղեցնում թարմ լուծույթի էլեկտրոլիտիկ փոխարկումն էլեկտրոդի մոտ։ Ուլտրաձայնով խթանվող էլեկտրոլիտիկ գործընթացներում նկատվում է զանգվածափոխանակության մեծացում լուծույթի ամբողջ ծավալում և մակերևույթների մոտ։ Ուլտրաձայնային թրթռումն ու կավիտացիան էլեկտրոդների մակերևույթներից հեռացնում են պասիվացման շերտերը՝ այդպիսով մշտապես պահպանելով դրանց լիարժեք արդյունավետությունը։ Բացի այդ, հայտնի է, որ ուլտրաձայնային մշակումը սոնոքիմիական ազդեցությունների միջոցով բարելավում է ռեակցիաների ընթացքի ուղիները։

Լարման օհմական անկման, ռեակցիայի գերլարման և քայքայման պոտենցիալի նվազեցում

Էլեկտրոլիզի իրականացման համար պահանջվող լարումը հայտնի է որպես քայքայման պոտենցիալ։ Ուլտրաձայնը կարող է նվազեցնել էլեկտրոլիզի գործընթացներում անհրաժեշտ քայքայման պոտենցիալը։

Ուլտրաձայնային էլեկտրոլիզի բջիջ

Ջրի էլեկտրոլիզի դեպքում ներմուծվող ուլտրաձայնային էներգիան, էլեկտրոդների միջև հեռավորությունը և էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիան ջրի էլեկտրոլիզի և դրա արդյունավետության վրա ազդող առանցքային գործոններ են։
Ալկալային էլեկտրոլիզի համար օգտագործվում է էլեկտրոլիզի բջիջ՝ սովորաբար 20%–40% KOH կամ NaOH պարունակող կծու ալկալու ջրային լուծույթով։ Էլեկտրական էներգիան հաղորդվում է երկու էլեկտրոդի։
Ռեակցիայի արագությունը մեծացնելու համար կարող են օգտագործվել էլեկտրոդային կատալիզատորներ։ Օրինակ՝ պլատինե (Pt) էլեկտրոդները նպաստավոր են, քանի որ ռեակցիան ավելի հեշտ է ընթանում։
Գիտահետազոտական հոդվածներում հաղորդվում է ջրի ուլտրաձայնով խթանվող էլեկտրոլիզի կիրառմամբ էներգիայի 10%-25% խնայողության մասին։

Ուլտրաձայնային էլեկտրոլիզարարներ՝ փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբներով ջրածնի արտադրության համար

Hielscher Ultrasonics ընկերության արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները նախատեսված են լրիվ բեռնվածությամբ և ծանր աշխատանքային պայմաններում 24/7/365 շահագործման համար։
Մատակարարելով ամուր ուլտրաձայնային համակարգեր, հատուկ նախագծված սոնոտրոդներ (զոնդեր), որոնք միաժամանակ ծառայում են որպես էլեկտրոդ և ուլտրաձայնային ալիքների հաղորդիչ, ինչպես նաև էլեկտրոլիզի ռեակտորներ՝ Hielscher Ultrasonics ընկերությունը բավարարում է ջրածնի էլեկտրոլիտային արտադրության հատուկ պահանջները։ UIP շարքի բոլոր թվային արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը (UIP500hdT (500 վատտ), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), և UIP4000hdT (4kW)) բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքեր են՝ էլեկտրոլիզի կիրառությունների համար։

Ստորև բերված աղյուսակը ներկայացնում է էլեկտրաքիմիական եղանակով H₂ ստանալու համար մեր ուլտրաձայնային սարքերի և սոնոէլեկտրոդների ընդհանուր պատկերը՝ հետազոտական լաբորատորիայից մինչև արտադրություն։