Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Produzione efficiente di idrogeno con gli ultrasuoni

L'idrogeno è un combustibile alternativo che è preferibile per la sua compatibilità ambientale e l'assenza di emissioni di anidride carbonica. Tuttavia, la generazione convenzionale di idrogeno non è efficiente per una produzione di massa economica. L'elettrolisi ad ultrasuoni delle soluzioni di acqua e di acqua alcalina favorisce l'elettrolisi dell'acqua e si traduce in un aumento della resa di idrogeno, del tasso di reazione e della velocità di conversione. L'elettrolisi a ultrasuoni rende la produzione di idrogeno economica ed efficiente dal punto di vista energetico.
Le reazioni elettrochimiche promosse ad ultrasuoni, come l'elettrolisi e l'elettrocoagulazione, mostrano un miglioramento della velocità di reazione, della velocità e dei rendimenti.

Generazione efficiente di idrogeno con sonicazione

L'elettrolisi di acqua e soluzioni acquose per la produzione 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 dividere l'acqua in due gas, cioè l'idrogeno (H2) e ossigeno (O2). Al fine di fendere l'H – O – H si lega per elettrolisi, una corrente elettrica viene fatta scorrere attraverso l'acqua.
Per la reazione elettrolitica, viene applicata una moneta elettrica diretta (DC) per avviare una reazione non spontanea di altro tipo. L'elettrolisi può generare idrogeno di elevata purezza in un processo semplice, ecologico, verde e a zero emissioni di CO2 come O2 è l'unico sottoprodotto.

Ultrasonic electrolysis intensifies hydrogen production.

2x processori ad ultrasuoni UIP2000hdT con sonde, che fungono da elettrodi, cioè catodo e anodo. Il campo ultrasonico intensifica la sintesi elettrolitica dell'idrogeno da acqua o soluzioni acquose.

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.
In acqua pura al catodo carico negativamente, avviene una reazione di riduzione dove gli elettroni (e-) del catodo vengono donati ai cationi di idrogeno in modo che si formi idrogeno gassoso. All'anodo a carica positiva, avviene una reazione di ossidazione, che genera ossigeno gassoso e allo stesso tempo dona elettroni all'anodo. Ciò significa che l'acqua reagisce all'anodo per formare ossigeno e ioni idrogeno caricati positivamente (protoni). In questo modo si completa l'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 usa acqua alcalina per produrre idrogeno. I sali alcalini sono idrossidi solubili di metalli alcalini e metalli alcalino-terrosi, di cui sono esempi comuni: Idrossido di sodio (NaOH, noto anche come “soda caustica") e idrossido di potassio (KOH, noto anche come “potassa caustica"). Per l'elettrolisi si utilizzano principalmente concentrazioni del 20-40% di soluzione caustica.

The ultrasonic probe of the high-performance ultrasonicator UIP2000hdT functions as anode. Due to the ultrasonic field applied, the electrolysis of hydrogen is promoted.

Sonda ad ultrasuoni della UIP2000hdT funziona come anodo. Le onde ultrasoniche applicate intensificano la sintesi elettrolitica dell'idrogeno.

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Sintesi ad ultrasuoni dell'idrogeno

Quando l'idrogeno gassoso viene prodotto in una reazione elettrolitica, l'idrogeno viene sintetizzato proprio al potenziale di decomposizione. La superficie degli elettrodi è l'area, dove la formazione dell'idrogeno avviene allo stadio molecolare durante la reazione elettrochimica. Le molecole di idrogeno nucleano alla superficie dell'elettrodo, in modo che successivamente le bolle di idrogeno gassoso sono presenti intorno al catodo. L'uso di elettrodi ad ultrasuoni migliora le impedenze di attività e l'impedenza di concentrazione e accelera l'aumento delle bolle di idrogeno durante l'elettrolisi dell'acqua. Diversi studi hanno dimostrato che la produzione di idrogeno ad ultrasuoni aumenta la produzione di idrogeno in modo efficiente.

Vantaggi degli ultrasuoni sull'elettrolisi dell'idrogeno

  • Rendimenti di idrogeno più elevati
  • Miglioramento dell'efficienza energetica

come risultato degli ultrasuoni:

  • aumento del trasferimento di massa
  • Riduzione accelerata dell'impedenza accumulata
  • Caduta di tensione ohmica ridotta
  • Potenziale di reazione ridotto
  • Potenziale di decomposizione ridotto
  • Degasaggio di acqua / soluzione acquosa
  • Pulizia dei catalizzatori degli elettrodi

Effetti ultrasonici sull'elettrolisi

L'elettrolisi ad ultrasuoni è anche conosciuta come elettrolisi sonoro. Vari fattori ultrasonici di natura sonomeccanica e sonorochimica influenzano e promuovono reazioni elettrochimiche. Questi fattori di influenza dell'elettrolisi sono il risultato della cavitazione e delle vibrazioni indotte dagli ultrasuoni e comprendono lo streaming acustico, le microturbolenze, i microgetti, le onde d'urto e gli effetti sonori. La cavitazione ultrasonica / acustica si verifica quando le onde ultrasoniche ad alta intensità sono accoppiate a liquido. Il fenomeno della cavitazione è caratterizzato dalla crescita e dal collasso delle cosiddette bolle di cavitazione. L'implosione della bolla è caratterizzata da forze super-intense, localmente presenti. Queste forze includono un intenso riscaldamento locale fino a 5000K, alte pressioni fino a 1000 atm, ed enormi velocità di riscaldamento e raffreddamento (>100k/sec) e provocano un'interazione unica tra materia ed energia. Per esempio, queste forze cavitazionali hanno un impatto sui legami dell'idrogeno nell'acqua e facilitano la scissione dei cluster di acqua, il che si traduce in un ridotto consumo di energia per l'elettrolisi.

Impatto a ultrasuoni sugli elettrodi

  • Rimozione di depositi dalla superficie dell'elettrodo
  • Attivazione della superficie dell'elettrodo
  • Trasporto degli elettroliti verso e lontano dagli elettrodi

Pulizia e attivazione delle superfici

Il trasferimento di massa è uno dei fattori cruciali che influenzano la velocità di reazione, la velocità e il rendimento. Durante le reazioni elettrolitiche, il prodotto di reazione, ad esempio precipita, si accumula intorno e direttamente sulla superficie dell'elettrodo e decelera la conversione elettrolitica della soluzione fresca all'elettrodo. I processi elettrolitici promossi ad ultrasuoni mostrano un aumento del trasferimento di massa nella soluzione sfusa e vicino alle superfici. La vibrazione ultrasonica e la cavitazione rimuove gli strati di passivazione dalle superfici dell'elettrodo e li mantiene così permanentemente pienamente efficienti. Inoltre, la sonificazione è nota per migliorare i percorsi di reazione per effetto degli effetti ecochimici.

Caduta di tensione ohmica inferiore, potenziale di reazione e potenziale di decomposizione

La tensione necessaria per l'elettrolisi è nota come potenziale di decomposizione. Gli ultrasuoni possono ridurre il potenziale di decomposizione necessario nei processi di elettrolisi.

Cella di elettrolisi ad ultrasuoni

Per l'elettrolisi dell'acqua, l'ingresso di energia ad ultrasuoni, la distanza tra gli elettrodi e la concentrazione di elettroliti sono fattori chiave che influenzano l'elettrolisi dell'acqua e la sua efficienza.
Per un'elettrolisi alcalina si utilizza una cella elettrolitica con una soluzione caustica acquosa di solito al 20%-40% di KOH o NaOH. L'energia elettrica viene applicata a due elettrodi.
I catalizzatori ad elettrodi possono essere utilizzati per accelerare la velocità di reazione. Ad esempio, gli elettrodi Pt sono favorevoli in quanto la reazione avviene più facilmente.
Articoli di ricerca scientifica riportano un risparmio energetico del 10%-25% utilizzando l'elettrolisi ad ultrasuoni dell'acqua.

Elettrolizzatori ad ultrasuoni per la produzione di idrogeno su scala pilota e industriale

Ultrasuoni Hielscher’ I processori industriali ad ultrasuoni sono costruiti per il funzionamento 24/7/365 a pieno carico e in processi pesanti.
Fornendo robusti sistemi ad ultrasuoni, sonotrodi (sonde) di speciale progettazione, che fungono contemporaneamente da elettrodo e trasmettitore di onde ultrasoniche, e reattori elettrolitici, Hielscher Ultrasonics soddisfa i requisiti specifici per la produzione di idrogeno elettrolitico. Tutti gli ultrasuoni industriali digitali della serie UIP (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2kW), e UIP4000hdT (4kW)) sono unità ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di elettrolisi.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
0.02 a 5L 0.05 a 1L/min UIP500hdT
0.05 a 10L 0.1 a 2L/min UIP1000hdT
0.07 a 15L 0.15 a 3L/min UIP1500hdT
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.

Letteratura / Referenze



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, costituendo circa il 75% di tutta la massa barionica. H2 è un gas che si forma quando due atomi di idrogeno si legano tra loro e diventano una molecola di idrogeno. H2 è chiamato anche idrogeno molecolare ed è una molecola omonucleare diatomica. È composta da due protoni e due elettroni. Avendo una carica neutra, l'idrogeno molecolare è stabile e quindi la forma più comune di idrogeno.

Quando l'idrogeno viene prodotto su scala industriale, il gas naturale riformato a vapore è la forma di produzione più utilizzata. Un metodo alternativo è l'elettrolisi dell'acqua. La maggior parte dell'idrogeno viene prodotta vicino al sito di quest'ultimo utilizzo, ad esempio vicino a impianti di lavorazione di combustibili fossili (ad esempio, l'idrocracking) e produttori di fertilizzanti a base di ammoniaca.