Produksi Hidrogen yang Efisien dengan Ultrasonik
Hidrogen adalah bahan bakar alternatif yang lebih disukai karena ramah lingkungan dan nol emisi karbon dioksida. Namun, pembangkit hidrogen konvensional tidak efisien untuk produksi massal yang ekonomis. Elektrolisis larutan air dan air alkali yang dipromosikan secara ultrasonik menghasilkan hasil hidrogen, laju reaksi, dan kecepatan konversi yang lebih tinggi. Elektrolisis berbantuan ultrasonik membuat produksi hidrogen ekonomis dan hemat energi.
Reaksi elektrokimia yang dipromosikan secara ultrasonik seperti elektrolisis dan elektrokoagulasi menunjukkan peningkatan kecepatan, laju, dan hasil reaksi.
Pembangkit Hidrogen yang Efisien dengan Sonikasi
Elektrolisis air dan larutan berair untuk tujuan pembangkitan hidrogen adalah proses yang menjanjikan untuk produksi energi bersih. Elektrolisis air adalah proses elektrokimia di mana listrik diterapkan untuk membagi air menjadi dua gas, yaitu hidrogen (H2) dan oksigen (O2). Untuk membelah H – O – H mengikat dengan elektrolisis, arus listrik mengalir melalui air.
Untuk reaksi elektrolitik, mata uang listrik langsung diterapkan untuk memulai reaksi non-spontan lainnya. Elektrolisis dapat menghasilkan hidrogen dengan kemurnian tinggi dalam proses yang sederhana, ramah lingkungan, dan ramah lingkungan dengan nol emisi CO2 karena O2 adalah satu-satunya produk sampingan.
2x prosesor ultrasonik model UIP2000hdT dengan probe, yang bertindak sebagai elektroda, yaitu katoda dan anoda. Getaran ultrasound dan kavitasi mendorong produksi hidrogen elektrokimia.
Mengenai elektrolisis air, pemisahan air menjadi oksigen dan hidrogen dicapai dengan melewatkan arus listrik melalui air.
Dalam air murni pada katoda bermuatan negatif, reaksi reduksi terjadi di mana elektron (e−) dari katoda disumbangkan ke kation hidrogen sehingga gas hidrogen terbentuk. Pada anoda bermuatan positif, terjadi reaksi oksidasi, yang menghasilkan gas oksigen sambil memberikan elektron ke anoda. Ini berarti, air bereaksi pada anoda untuk membentuk oksigen dan ion hidrogen bermuatan positif (proton). Dengan demikian persamaan keseimbangan energi berikut selesai:
2H+ (AQ) + 2e– → H2 (g) (reduksi pada katoda)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (AQ) + 4E– (oksidasi pada anoda)
Reaksi keseluruhan: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
Seringkali, air alkali digunakan untuk elektrolisis untuk menghasilkan hidrogen. Garam alkali adalah hidroksida larut dari logam alkali dan logam alkali tanah, yang contoh umumnya adalah: Natrium hidroksida (NaOH, juga dikenal sebagai soda kaustik) dan kalium hidroksida (KOH, juga dikenal sebagai kalium kaustik). Untuk eletcrolysis, terutama konsentrasi larutan kaustik 20% hingga 40% digunakan.
Produksi hidrogen elektrokimia sono pada katoda ultrasonik.
Sintesis Ultrasonik Hidrogen
Ketika gas hidrogen diproduksi dalam reaksi elektrolitik, hidrogen disintesis tepat pada potensial dekomposisi. Permukaan elektroda adalah area, di mana pembentukan hidrogen terjadi pada tahap molekul selama reaksi elektrokimia. Molekul hidrogen berinti di permukaan elektroda, sehingga kemudian gelembung gas hidrogen hadir di sekitar katoda. Menggunakan elektroda ultrasonik meningkatkan impedansi aktivitas dan impedansi konsentrasi dan mempercepat kenaikan gelembung hidrogen selama elektrolisis air. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa produksi hidrogen ultrasonik meningkatkan hasil hidrogen secara efisien.
Manfaat Ultrasonik pada Elektrolisis Hidrogen
- Hasil hidrogen yang lebih tinggi
- Peningkatan efisiensi energi
Sebagai hasil USG dalam:
- Peningkatan massa transfer
- Pengurangan akumulasi impedansi yang dipercepat
- Mengurangi penurunan tegangan ohmik
- Mengurangi potensi reaksi
- Potensi dekomposisi berkurang
- Degassing air / larutan berair
- Pembersihan katalis elektroda
Efek Ultrasonik pada Elektrolisis
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.
Dampak Ultrasonik pada Elektroda
- Menghilangkan endapan dari permukaan elektroda
- Aktivasi permukaan elektroda
- Pengangkutan elektrolit ke arah dan menjauh dari elektroda
Pembersihan Ultrasonik dan Aktivasi Permukaan Elektroda
Perpindahan massa adalah salah satu faktor penting yang mempengaruhi laju reaksi, kecepatan, dan hasil. Selama reaksi elektrolitik, produk reaksi, misalnya mengendap, terakumulasi di sekitar dan juga langsung pada permukaan elektroda dan memperlambat konversi elektrolitik larutan segar ke elektroda. Proses elektrolitik yang dipromosikan secara ultrasonik menunjukkan peningkatan perpindahan massa dalam larutan curah dan di dekat permukaan. Getaran dan kavitasi ultrasonik menghilangkan lapisan pasivasi dari permukaan elektroda dan menjaganya tetap efisien secara permanen. Selain itu, sonifikasi diketahui meningkatkan jalur reaksi dengan efek sonokimia.
Penurunan Tegangan Ohmik Lebih Rendah, Potensi Kelebihan Reaksi, dan Potensi Dekomposisi
Tegangan yang diperlukan untuk terjadi elektrolisis dikenal sebagai potensial dekomposisi. Ultrasonografi dapat menurunkan potensial dekomposisi yang diperlukan dalam proses elektrolisis.
sel elektrolisis ultrasonik
Untuk elektrolisis air, input energi ultrasonik, celah elektroda, dan konsentrasi elektrolit adalah faktor kunci yang memengaruhi elektrolisis air dan efisiensinya.
Untuk elektrolisis alkali, sel elektrolisis dengan larutan kaustik berair biasanya 20%–40% KOH atau NaOH digunakan. Energi listrik diterapkan pada dua elektroda.
Katalis elektroda dapat digunakan untuk mempercepat kecepatan reaksi. Misalnya, elektroda Pt menguntungkan karena reaksi terjadi lebih mudah.
Artikel penelitian ilmiah melaporkan penghematan energi 10% -25% menggunakan elektrolisis air yang dipromosikan secara ultrasonik.
Elektrolisis Ultrasonik untuk Produksi Hidrogen pada Skala Percontohan dan Industri
Hielscher Ultrasonics’ Prosesor ultrasonik industri dibangun untuk operasi 24/7/365 di bawah beban penuh dan dalam proses tugas berat.
Dengan memasok sistem ultrasonik yang kuat, sonotrodes (probe) yang dirancang khusus, yang berfungsi sebagai elektroda dan pemancar gelombang ultrasound pada saat yang bersamaan, dan reaktor elektrolisis, Hielscher Ultrasonics memenuhi persyaratan khusus untuk produksi hidrogen elektrolitik. Semua ultrasonicator industri digital dari seri UIP (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1.5kW), UIP2000hdT (2kW), dan UIP4000hdT (4kW)) adalah unit ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi elektrolisis.
Probe ultrasonik UIP2000hdT berfungsi sebagai anoda. Gelombang ultrasonik yang diterapkan mengintensifkan sintesis elektrolitik hidrogen.
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
| Batch Volume | Flow Rate | Direkomendasikan perangkat |
|---|---|---|
| 0.02 hingga 5L | 005 hingga 1L / mnt | UIP500hdT |
| 0.05 hingga 10L | 0.1 hingga 2L/mnt | UIP1000hdT |
| 0.07 hingga 15L | 0.15 hingga 3L/mnt | UIP1500hdT |
| 0.1 hingga 20L | 0.2 sampai 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 sampai 100L | 2-10L/min | UIP4000hdT |
Hubungi Kami! / Tanya Kami!
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi, dan ekstraksi pada skala laboratorium, percontohan, dan industri.
Fakta-fakta yang Patut Diketahui
Apa itu Hidrogen?
Hidrogen adalah unsur kimia dengan simbol H dan nomor atom 1. Dengan berat atom standar 1.008, hidrogen adalah unsur paling ringan dalam tabel periodik. Hidrogen adalah zat kimia paling melimpah di alam semesta, merupakan sekitar 75% dari semua massa barionik. H2 adalah gas yang terbentuk ketika dua atom hidrogen berikatan bersama dan menjadi molekul hidrogen. H2 juga disebut hidrogen molekuler dan merupakan molekul homonuklear diatomik. Ini terdiri dari dua proton dan dua elektron. Memiliki muatan netral, molekul hidrogen stabil dan dengan demikian bentuk hidrogen yang paling umum.
Ketika hidrogen diproduksi pada skala industri, gas alam reformasi uap adalah bentuk produksi yang paling banyak digunakan. Metode alternatif adalah elektrolisis air. Sebagian besar hidrogen diproduksi di dekat lokasi penggunaan terakhirnya, misalnya, di dekat fasilitas pemrosesan bahan bakar fosil (misalnya, hydrocracking) dan produsen pupuk berbasis amonia.
Literatur / Referensi
- 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.
- 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.