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.
Accelerare la produzione di idrogeno grazie alla potenza degli ultrasuoni e dell'elettrochimica
Combinare l'efficienza della cavitazione ultrasonica con la precisione delle reazioni elettrochimiche per ottenere rese di idrogeno più elevate e un minor consumo energetico. I sistemi sono-elettrochimici avanzati di Hielscher potenziano il trasferimento di massa, migliorano l'attività del catalizzatore e ottimizzano le superfici degli elettrodi per una generazione di H₂ costante e ad alte prestazioni.
Vantaggi principali:
- Trasferimento di massa potenziato: Le onde ultrasoniche riducono lo spessore dello strato di diffusione, garantendo un efficiente apporto dei reagenti agli elettrodi.
- Maggiore stabilità del catalizzatore: La sonicazione impedisce l'agglomerazione delle nanoparticelle, garantendo il mantenimento di un'elevata attività catalitica nel tempo.
- Efficienza energetica: Ottimizzare l'apporto energetico sfruttando la micromiscelazione indotta dalla cavitazione e la pulizia delle superfici.
Garantite una cavitazione costante e ad alta intensità grazie a processori a ultrasuoni affidabili, progettati per la produzione continua di H₂ 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Scoprite tutte le informazioni sulle nostre soluzioni a ultrasuoni ad alta potenza e contattate i nostri esperti di sonicazione!
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.
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.
Per quanto riguarda l'elettrolisi dell'acqua, la scissione dell'acqua in ossigeno e idrogeno avviene 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.
- Rese di idrogeno più elevate
- Miglioramento dell'efficienza energetica
➡️ Utilizzare la sonicazione per:
- 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
L'elettrolisi eccitata ad ultrasuoni è nota anche come sonoelettrolisi. Diversi fattori ultrasonici di natura sonomeccanica e sonochimica influenzano e favoriscono le reazioni elettrochimiche.
- Le onde ultrasoniche generano bolle
- Le bolle si sgonfiano
- Il calore estremo scinde le molecole d'acqua
I fattori che influenzano l'elettrolisi sono il risultato della cavitazione e delle vibrazioni indotte dagli ultrasuoni e comprendono il flusso acustico, le microturbolenze, i microgetti, le onde d'urto e gli effetti sonochimici. La cavitazione ultrasonica/acustica si verifica quando onde ultrasoniche ad alta intensità vengono accoppiate a un liquido. Il fenomeno della cavitazione è caratterizzato dalla formazione e dal collasso delle cosiddette bolle di cavitazione. L’implosione delle bolle è caratterizzata da forze localmente molto intense. Queste forze comprendono un intenso riscaldamento locale fino a 5000 K, pressioni elevate fino a 1000 atm ed enormi velocità di riscaldamento e raffreddamento (>100k/sec) e provocano un’interazione unica tra materia ed energia. Ad esempio, tali forze cavitazionali agiscono sui legami idrogeno presenti nell’acqua e facilitano la scissione dei cluster d’acqua, il che comporta successivamente un ridotto consumo energetico per l’elettrolisi.
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 di reazione e la resa. Durante le reazioni elettrolitiche, i prodotti di reazione, ad esempio i precipitati, si accumulano sia intorno alle superfici degli elettrodi che direttamente su di esse, rallentando la conversione elettrolitica della soluzione fresca verso l’elettrodo. I processi elettrolitici potenziati dagli ultrasuoni mostrano un aumento del trasferimento di massa sia nella soluzione in massa che in prossimità delle superfici. Le vibrazioni ultrasoniche e la cavitazione rimuovono gli strati di passivazione dalle superfici degli elettrodi, mantenendoli così costantemente al massimo della loro efficienza. Inoltre, è noto che la sonificazione migliora i percorsi di reazione grazie agli effetti sonochimici.
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 che segue offre una panoramica dei nostri sonicatori e degli elettrodi sonici per la generazione elettrochimica di H₂ – dal laboratorio di ricerca alla produzione:
| sonicatore | Potenza dell'ultrasuono | volume |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Tubo Falcon |
| UP100H | 100W | 10 - 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 - 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0,2 - 4L/min |
Ottimizza la resa di idrogeno grazie alla sonicazione!
Cella sonoelettrochimica per una sintesi migliorata di H₂
FAQ – Produzione sono-elettrochimica di idrogeno
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.
Che cos’è la sintesi sono-elettrochimica dell’idrogeno?
La sintesi sono-elettrochimica è una tecnica ibrida che combina la cavitazione ultrasonica con la scissione elettrochimica dell'acqua. Applicando onde sonore ad alta frequenza – cioè l'ecografia – Se applicato a un reattore elettrochimico, il processo favorisce il trasferimento di massa, pulisce le superfici degli elettrodi e migliora l'efficienza complessiva della produzione di idrogeno rispetto all'elettrolisi tradizionale.
In che modo gli ultrasuoni migliorano la resa di idrogeno nell'elettrolisi?
Gli ultrasuoni migliorano la produzione di idrogeno principalmente attraverso la cavitazione acustica. La formazione e il collasso di bolle microscopiche creano intense microturbolenze che riducono lo spessore dello strato di diffusione sulla superficie dell’elettrodo. Ciò garantisce un apporto più rapido dei reagenti al catalizzatore e contribuisce a rimuovere le bolle di idrogeno gassoso in modo più efficiente, impedendo “protezione con gas” e consentendo densità di corrente più elevate.
Quali sono i vantaggi dell'utilizzo di un sonicatore industriale per la sintesi dell'idrogeno?
L'utilizzo di processori a ultrasuoni ad alta intensità come l'UIP2000hdT della serie UIP di Hielscher, destinata al settore industriale, offre numerosi vantaggi:
- Maggiore attività del catalizzatore: La sonicazione impedisce l'agglomerazione delle nanoparticelle, mantenendo i catalizzatori (come Pt, TiO₂ o Ni) altamente attivi.
- Pulizia degli elettrodi: Gli ultrasuoni puliscono continuamente le superfici degli elettrodi, riducendo la polarizzazione e prolungando la durata dei componenti del reattore.
- Scalabilità: Questi sistemi sono progettati per funzionare ininterrottamente 24 ore su 24, 7 giorni su 7, il che li rende adatti sia alla ricerca di laboratorio che alla produzione di idrogeno su scala industriale.
Qual è il ruolo della cavitazione nelle reazioni sono-elettrochimiche?
La cavitazione acustica è il meccanismo fondamentale della sonoelettrochimica. Quando le onde ultrasoniche attraversano un liquido, generano cicli alternati di alta e bassa pressione. Durante il ciclo di bassa pressione si formano e crescono minuscole bolle di vuoto; durante il ciclo di alta pressione, queste bolle collassano in modo implosivo. Questo collasso genera temperature e pressioni estreme localizzate, in grado di facilitare le reazioni chimiche e migliorare significativamente il contatto tra gli elettrodi e l’elettrolita.
È possibile utilizzare la sonoelettrochimica con le fonti di energia rinnovabile?
Sì. I sistemi sono-elettrochimici possono essere integrati con fonti di energia rinnovabile quali l’energia solare o eolica. La capacità dei processori a ultrasuoni di funzionare in modo efficiente a livelli di potenza variabili li rende particolarmente adatti alle fonti energetiche intermittenti, riducendo potenzialmente l’impronta di carbonio della produzione di idrogeno verde.
In che modo la produzione di idrogeno sono-elettrochimica si confronta con il tradizionale reforming a vapore del metano?
A differenza del reforming a vapore del metano (SMR), che si basa sui combustibili fossili e comporta emissioni significative di CO₂, la sintesi sono-elettrochimica utilizza solitamente l’acqua come materia prima. Sebbene l’SMR sia attualmente più diffuso, la sono-elettrochimica offre un processo più pulito, “verde” un'alternativa che può essere alimentata con energia elettrica da fonti rinnovabili, rendendola una tecnologia fondamentale per un'economia dell'idrogeno sostenibile.
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.
- José González-García, Ludovic Drouin, Craig E. Banks, Biljana Šljukić, Richard G. Compton (2007): At point of use sono-electrochemical generation of hydrogen peroxide for chemical synthesis: The green oxidation of benzonitrile to benzamide. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 14, Issue 2, 2007. 113-116.
- 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.