Արդյունավետ ջրածնի արտադրություն ուլտրաձայնային օգնությամբ

Ջրածինը այլընտրանքային վառելիք է, որը նախընտրելի է շրջակա միջավայրի համար բարենպաստ լինելու և ածխածնի երկօքսիդի զրոյական արտանետման պատճառով: Այնուամենայնիվ, սովորական ջրածնի արտադրությունը արդյունավետ չէ տնտեսական զանգվածային արտադրության համար: Ջրի և ալկալային ջրային լուծույթների ուլտրաձայնային էլեկտրոլիզը հանգեցնում է ավելի բարձր ջրածնի եկամտաբերության, ռեակցիայի արագության և փոխակերպման արագության: Ուլտրաձայնային օգնությամբ էլեկտրոլիզը ջրածնի արտադրությունը դարձնում է տնտեսական և էներգաարդյունավետ:
Ուլտրաձայնային խթանվող էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները, ինչպիսիք են էլեկտրոլիզը և էլեկտրակոագուլյացիան, ցույց են տալիս բարելավված ռեակցիայի արագությունը, արագությունը և եկամտաբերությունը:

Արդյունավետ ջրածնի արտադրություն Sonication-ով

Ջրածնի արտադրության նպատակով ջրի և ջրային լուծույթների էլեկտրոլիզը խոստումնալից գործընթաց է մաքուր էներգիայի արտադրության համար: Ջրի էլեկտրոլիզը էլեկտրաքիմիական գործընթաց է, որտեղ էլեկտրականությունը կիրառվում է ջուրը բաժանելու երկու գազերի՝ ջրածնի (H2) և թթվածնի (O2): Հ–ը ճեղքելու նպատակով – Օ – H-ը կապվում է էլեկտրոլիզի միջոցով, ջրի միջով էլեկտրական հոսանք է անցնում:
Էլեկտրոլիտիկ ռեակցիայի համար ուղղակի էլեկտրական արժույթը կիրառվում է այլ իմաստով ոչ ինքնաբուխ ռեակցիա սկսելու համար: Էլեկտրոլիզը կարող է առաջացնել բարձր մաքրության ջրածին պարզ, բնապահպանական, կանաչ գործընթացում՝ CO2 զրոյական արտանետմամբ, քանի որ O2-ը միակ կողմնակի արտադրանքն է:

 
Ինչ վերաբերում է ջրի էլեկտրոլիզին, ապա ջրի բաժանումը թթվածնի և ջրածնի տեղի է ունենում ջրի միջով էլեկտրական հոսանք անցնելու միջոցով:
Բացասական լիցքավորված կաթոդի մաքուր ջրի մեջ տեղի է ունենում վերականգնողական ռեակցիա, որտեղ կաթոդից էլեկտրոնները (e−) նվիրաբերվում են ջրածնի կատիոններին, որպեսզի առաջանա ջրածնի գազ։ Դրական լիցքավորված անոդում տեղի է ունենում օքսիդացման ռեակցիա, որն առաջացնում է թթվածին գազ՝ միաժամանակ էլեկտրոններ տալով անոդին: Սա նշանակում է, որ ջուրը արձագանքում է անոդում՝ ձևավորելով թթվածին և դրական լիցքավորված ջրածնի իոններ (պրոտոններ): Այսպիսով լրացվում է էներգետիկ հաշվեկշռի հետևյալ հավասարումը.
 
2Հ⁺ (aq) + 2e^– → Հ₂ է) (կրճատում կաթոդում)
2Հ₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (օքսիդացում անոդում)
Ընդհանուր արձագանքը: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (գ)
 
Հաճախ ալկալային ջուրն օգտագործվում է էլեկտրոլիզի համար՝ ջրածին արտադրելու համար։ Ալկալիների աղերը ալկալային մետաղների և հողալկալիական մետաղների լուծելի հիդրօքսիդներ են, որոնցից ընդհանուր օրինակներ են՝ նատրիումի հիդրօքսիդը (NaOH, հայտնի է նաև որպես կաուստիկ սոդա) և կալիումի հիդրօքսիդը (KOH, որը նաև հայտնի է որպես կաուստիկ պոտաշ)։ Էլեկտրոլիզի համար հիմնականում օգտագործվում են 20-40% կաուստիկ լուծույթի կոնցենտրացիաներ:

 

 

Ջրածնի ուլտրաձայնային սինթեզ

Երբ ջրածնի գազը արտադրվում է էլեկտրոլիտիկ ռեակցիայի ժամանակ, ջրածինը սինթեզվում է հենց տարրալուծման պոտենցիալում։ Էլեկտրոդների մակերեսը այն տարածքն է, որտեղ էլեկտրաքիմիական ռեակցիայի ժամանակ մոլեկուլային փուլում տեղի է ունենում ջրածնի ձևավորում: Ջրածնի մոլեկուլները էլեկտրոդի մակերևույթում միջուկներ են ստեղծում, այնպես որ հետագայում կաթոդի շուրջը առկա են ջրածնի գազի պղպջակներ: Ուլտրաձայնային էլեկտրոդների օգտագործումը բարելավում է ակտիվության դիմադրությունը և կոնցենտրացիայի դիմադրությունը և արագացնում ջրածնի փուչիկների բարձրացումը ջրի էլեկտրոլիզի ժամանակ: Մի քանի ուսումնասիրություններ ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնային ջրածնի արտադրությունը արդյունավետորեն մեծացնում է ջրածնի ելքը:

 

Ուլտրաձայնային ազդեցությունը էլեկտրոլիզի վրա

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.
 
Ուլտրաձայնային ազդեցություն էլեկտրոդների վրա

• Էլեկտրոդի մակերեսից նստվածքների հեռացում
• Էլեկտրոդի մակերեսի ակտիվացում
• Էլեկտրոլիտների տեղափոխում դեպի էլեկտրոդներ և հեռու

 

Էլեկտրոդի մակերեսների ուլտրաձայնային մաքրում և ակտիվացում

Զանգվածի փոխանցումը ռեակցիայի արագության, արագության և եկամտաբերության վրա ազդող վճռորոշ գործոններից մեկն է: Էլեկտրոլիտիկ ռեակցիաների ընթացքում ռեակցիայի արտադրանքը, օրինակ՝ նստվածքները, կուտակվում են շուրջը, ինչպես նաև ուղղակիորեն էլեկտրոդի մակերեսների վրա և դանդաղեցնում են թարմ լուծույթի էլեկտրոլիտիկ փոխակերպումը էլեկտրոդի: Ուլտրաձայնային էլեկտրոլիտիկ պրոցեսները ցույց են տալիս զանգվածի ավելացված փոխանցում զանգվածային լուծույթում և մակերեսների մոտ: Ուլտրաձայնային թրթռումը և կավիտացիան հեռացնում են պասիվացման շերտերը էլեկտրոդների մակերևույթներից և դրանով իսկ մշտապես լիարժեք արդյունավետ են պահում: Ավելին, sonification հայտնի է, որ ուժեղացնում է ռեակցիայի ուղիները sonochemical ազդեցություններով:

Օհմական լարման ցածր անկում, ռեակցիայի գերպոտենցիալ և տարրալուծման ներուժ

Էլեկտրոլիզի առաջացման համար անհրաժեշտ լարումը հայտնի է որպես տարրալուծման ներուժ: Ուլտրաձայնը կարող է նվազեցնել էլեկտրոլիզի գործընթացներում տարրալուծման անհրաժեշտ ներուժը:

ուլտրաձայնային էլեկտրոլիզի բջիջ

Ջրի էլեկտրոլիզի համար ուլտրաձայնային էներգիայի մուտքագրումը, էլեկտրոդի բացը և էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիան հիմնական գործոններն են, որոնք ազդում են ջրի էլեկտրոլիզի և դրա արդյունավետության վրա:
Ալկալային էլեկտրոլիզի համար օգտագործվում է էլեկտրոլիզի բջիջ՝ սովորաբար 20%-40% KOH կամ NaOH ջրային կաուստիկ լուծույթով: Էլեկտրական էներգիան կիրառվում է երկու էլեկտրոդների վրա:
Էլեկտրոդային կատալիզատորները կարող են օգտագործվել ռեակցիայի արագությունը արագացնելու համար: Օրինակ, Pt էլեկտրոդները բարենպաստ են, քանի որ ռեակցիան ավելի հեշտ է տեղի ունենում:
Գիտահետազոտական հոդվածներում նշվում է 10%-25% էներգիայի խնայողություն՝ օգտագործելով ջրի ուլտրաձայնային էլեկտրոլիզը:

Ուլտրաձայնային էլեկտրոլիզատորներ ջրածնի արտադրության համար փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբով

Hielscher Ultrasonics’ Արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները կառուցված են 24/7/365 աշխատանքի համար՝ լրիվ ծանրաբեռնվածության և ծանր աշխատանքային գործընթացներում:
Ապահովելով ամուր ուլտրաձայնային համակարգեր, հատուկ նախագծված սոնոտրոդներ (զոնդեր), որոնք միաժամանակ գործում են որպես էլեկտրոդ և ուլտրաձայնային ալիքների հաղորդիչ և էլեկտրոլիզի ռեակտորներ, Hielscher Ultrasonics-ը բավարարում է էլեկտրոլիտիկ ջրածնի արտադրության հատուկ պահանջները: UIP շարքի բոլոր թվային արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը (UIP500hdT (500 վտ), UIP1000hdT (1 կՎտ), UIP1500hdT (1,5 կՎտ), UIP2000hdT (2 կՎտ), և UIP4000hdT (4կՎտ)) էլեկտրոլիզի կիրառման համար բարձրորակ ուլտրաձայնային միավորներ են:

Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.