Produzione efficiente di idrogeno con gli ultrasuoni
L'idrogeno è un combustibile alternativo preferibile per la sua compatibilità ambientale e per l'assenza di emissioni di anidride carbonica. Tuttavia, la generazione convenzionale di idrogeno non è efficiente per una produzione di massa economica. L'elettrolisi di acqua e soluzioni di acqua alcalina promossa dagli ultrasuoni consente di ottenere rese di idrogeno, velocità di reazione e velocità di conversione più elevate. L'elettrolisi assistita dagli ultrasuoni rende la produzione di idrogeno economica ed efficiente dal punto di vista energetico.
Le reazioni elettrochimiche promosse dagli ultrasuoni, come l'elettrolisi e l'elettrocoagulazione, mostrano una maggiore velocità di reazione, velocità e resa.
Generazione efficiente di idrogeno con la sonicazione
L'elettrolisi dell'acqua e delle soluzioni acquose per la generazione di idrogeno è un processo promettente per la produzione di energia pulita. L'elettrolisi dell'acqua è un processo elettrochimico in cui l'elettricità viene applicata per scindere l'acqua in due gas, ovvero idrogeno (H2) e ossigeno (O2). Per scindere l'H – O – I legami H per elettrolisi, una corrente elettrica viene fatta passare attraverso l'acqua.
Per la reazione elettrolitica, viene applicata una corrente elettrica diretta per avviare una reazione non spontanea. L'elettrolisi può generare idrogeno di elevata purezza in un processo semplice, ecologico e verde, con zero emissioni di CO2, poiché l'O2 è l'unico sottoprodotto.
2x processori a ultrasuoni del modello UIP2000hdT con sonde, che fungono da elettrodi, cioè catodo e anodo. La vibrazione e la cavitazione degli ultrasuoni favoriscono la produzione elettrochimica di idrogeno.
Per quanto riguarda l'elettrolisi dell'acqua, la scissione dell'acqua in ossigeno e idrogeno si ottiene facendo passare una corrente elettrica attraverso l'acqua.
Nell'acqua pura, al catodo con carica negativa, avviene una reazione di riduzione in cui gli elettroni (e-) del catodo vengono donati ai cationi di idrogeno, con conseguente formazione di idrogeno gassoso. All'anodo, che ha una carica positiva, avviene una reazione di ossidazione, che genera ossigeno gassoso e cede elettroni all'anodo. Ciò significa che l'acqua reagisce all'anodo per formare ossigeno e ioni idrogeno (protoni) caricati positivamente. In questo modo si completa la seguente equazione del bilancio energetico:
2H+ (aq) + 2e– → H2 (g) (riduzione al catodo)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (ossidazione all'anodo)
Reazione complessiva: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
Spesso per l'elettrolisi si utilizza acqua alcalina per produrre idrogeno. I sali alcalini sono idrossidi solubili di metalli alcalini e metalli alcalino-terrosi, di cui esempi comuni sono: Idrossido di sodio (NaOH, noto anche come soda caustica) e idrossido di potassio (KOH, noto anche come potassa caustica). Per l'eletrolisi si utilizzano principalmente concentrazioni di soluzione caustica comprese tra il 20% e il 40%.
Produzione sono-elettrochimica di idrogeno con un catodo a ultrasuoni.
Sintesi a ultrasuoni dell'idrogeno
Quando si produce idrogeno gassoso in una reazione elettrolitica, l'idrogeno viene sintetizzato proprio al potenziale di decomposizione. La superficie degli elettrodi è l'area in cui avviene la formazione di idrogeno a livello molecolare durante la reazione elettrochimica. Le molecole di idrogeno si nucleano sulla superficie dell'elettrodo, per cui successivamente si formano bolle di idrogeno gassoso intorno al catodo. L'utilizzo di elettrodi a ultrasuoni migliora le impedenze di attività e di concentrazione e accelera la risalita delle bolle di idrogeno durante l'elettrolisi dell'acqua. Diversi studi hanno dimostrato che la produzione di idrogeno a ultrasuoni aumenta in modo efficiente la resa di idrogeno.
Vantaggi degli ultrasuoni sull'elettrolisi dell'idrogeno
- Rese di idrogeno più elevate
- Miglioramento dell'efficienza energetica
come risultato degli ultrasuoni:
- aumento del trasferimento di massa
- Riduzione accelerata dell'impedenza accumulata
- Riduzione della caduta di tensione ohmica
- Riduzione del potenziale di reazione
- Potenziale di decomposizione ridotto
- Degassificazione di acqua / soluzione acquosa
- Pulizia dei catalizzatori degli elettrodi
Effetti degli ultrasuoni sull'elettrolisi
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.
Impatto degli ultrasuoni sugli elettrodi
- Rimozione dei depositi dalla superficie dell'elettrodo
- Attivazione della superficie dell'elettrodo
- Trasporto di elettroliti verso e lontano dagli elettrodi
Pulizia e attivazione a ultrasuoni delle superfici degli elettrodi
Il trasferimento di massa è uno dei fattori cruciali che influenzano la velocità, la rapidità e la resa della reazione. Durante le reazioni elettrolitiche, i prodotti di reazione, ad esempio i precipitati, si accumulano intorno e direttamente sulle superfici degli elettrodi e rallentano la conversione elettrolitica della soluzione fresca all'elettrodo. I processi elettrolitici promossi dagli ultrasuoni mostrano un aumento del trasferimento di massa nella soluzione in massa e in prossimità delle superfici. La vibrazione e la cavitazione a ultrasuoni rimuovono gli strati di passivazione dalle superfici degli elettrodi, mantenendoli così permanentemente pienamente efficienti. Inoltre, è risaputo che la sonificazione migliora i percorsi di reazione grazie agli effetti sonociclici.
Riduzione della caduta di tensione ohmica, del sovrapotenziale di reazione e del potenziale di decomposizione
La tensione necessaria affinché si verifichi l'elettrolisi è nota come potenziale di decomposizione. Gli ultrasuoni possono abbassare il potenziale di decomposizione necessario nei processi di elettrolisi.
cella di elettrolisi a ultrasuoni
Per l'elettrolisi dell'acqua, l'apporto di energia ultrasonica, la distanza tra gli elettrodi e la concentrazione di elettrolita sono fattori chiave che influiscono sull'elettrolisi dell'acqua e sulla sua efficienza.
Per l'elettrolisi alcalina si utilizza una cella elettrolitica con una soluzione acquosa caustica di solito al 20%-40% di KOH o NaOH. L'energia elettrica viene applicata a due elettrodi.
I catalizzatori degli elettrodi possono essere utilizzati per accelerare la velocità di reazione. Ad esempio, gli elettrodi di Pt sono favorevoli perché la reazione avviene più facilmente.
Articoli di ricerca scientifica riportano un risparmio energetico del 10%-25% utilizzando l'elettrolisi dell'acqua promossa dagli ultrasuoni.
Elettrolizzatori a ultrasuoni per la produzione di idrogeno su scala pilota e industriale
Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali a ultrasuoni sono costruiti per funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e 365 giorni su 7, a pieno carico e in processi pesanti.
Fornendo robusti sistemi a ultrasuoni, sonotrodi (sonde) dal design speciale, che fungono contemporaneamente da elettrodo e da trasmettitore di onde ultrasonore, e reattori per elettrolisi, Hielscher Ultrasonics soddisfa le esigenze specifiche della produzione di idrogeno elettrolitico. Tutti gli ultrasuonatori industriali digitali della serie UIP (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2kW) e UIP4000hdT (4kW)) sono unità a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di elettrolisi.
Sonda a ultrasuoni della UIP2000hdT funziona come anodo. Le onde ultrasoniche applicate intensificano la sintesi elettrolitica dell'idrogeno.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 0Da .02 a 5L | 0Da .05 a 1L/min | UIP500hdT |
| 0Da .05 a 10L | 0Da .1 a 2L/min | UIP1000hdT |
| 0Da .07 a 15L | 0Da .15 a 3L/min | UIP1500hdT |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
Contattateci! / Chiedi a noi!
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Particolarità / Cose da sapere
Che cos'è l'idrogeno?
L'idrogeno è l'elemento chimico con il simbolo H e il numero atomico 1. Con un peso atomico standard di 1,008, l'idrogeno è l'elemento più leggero della tavola periodica. L'idrogeno è la sostanza chimica più abbondante nell'universo e costituisce circa il 75% di tutta la massa barionica. L'H2 è un gas che si forma quando due atomi di idrogeno si legano e diventano una molecola di idrogeno. L'H2 è chiamato anche idrogeno molecolare ed è una molecola biatomica e omonucleare. È costituito da due protoni e due elettroni. Avendo una carica neutra, l'idrogeno molecolare è stabile ed è quindi la forma più comune di idrogeno.
Quando l'idrogeno viene prodotto su scala industriale, il reforming a vapore del gas naturale è la forma di produzione più utilizzata. Un metodo alternativo è l'elettrolisi dell'acqua. La maggior parte dell'idrogeno viene prodotta vicino al luogo di utilizzo finale, ad esempio vicino agli impianti di lavorazione dei combustibili fossili (ad esempio l'idrocracking) e ai produttori di fertilizzanti a base di ammoniaca.
Letteratura / Riferimenti
- 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.