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 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 – H si lega per elettrolisi, una corrente elettrica viene fatta scorrere 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.

Questo video illustra l'influenza positiva dell'ultrasuoni a elettrodo diretto sulla corrente elettrica. Viene utilizzato un omogeneizzatore a ultrasuoni Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) con upgrade elettrochimico e un elettrodo/sonotrodo in titanio. L'elettrolisi dell'acido solforico diluito produce idrogeno gassoso e ossigeno gassoso. Gli ultrasuoni riducono lo spessore dello strato di diffusione sulla superficie dell'elettrodo e migliorano il trasferimento di massa durante l'elettrolisi.

Sono-Elettrochimica - Illustrazione dell'influenza degli ultrasuoni sull'elettrolisi in batch

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La sintesi elettrochimica a ultrasuoni è un metodo altamente efficiente per la produzione di idrogeno. Il trattamento sono-elettrochimico favorisce la scissione dei legami H - O - H attraverso l'elettrolisi, una corrente elettrica che attraversa l'acqua.

2x processori a ultrasuoni del modello UIP200hdT 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 e si forma l'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 in un catodo a ultrasuoni.

Produzione sono-elettrochimica di idrogeno in un catodo a ultrasuoni.

 

Questo video illustra l'influenza positiva dell'ultrasuonificazione dell'elettrodo diretto sulla corrente elettrica in una configurazione di elettrolizzatore H-Cell. Si utilizza un omogeneizzatore a ultrasuoni Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) con upgrade elettrochimico e un elettrodo/sonotrodo in titanio. L'elettrolisi dell'acido solforico diluito produce idrogeno gassoso e ossigeno gassoso. Gli ultrasuoni riducono lo spessore dello strato di diffusione sulla superficie dell'elettrodo e migliorano il trasferimento di massa durante l'elettrolisi.

Sono-Elettrochimica - Illustrazione dell'influenza degli ultrasuoni sull'elettrolisi delle cellule H

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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

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 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 a ultrasuoni delle superfici degli elettrodi

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 sonda ad ultrasuoni dell'ultrasuonatore ad alte prestazioni UIP2000hdT funziona come anodo. A causa del campo ultrasonico applicato, viene promossa l'elettrolisi dell'idrogeno.

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 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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Gli omogeneizzatori a ultrasuoni ad alto potere di taglio sono utilizzati in laboratorio, su banco, in processi pilota e industriali.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala 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, costituendo circa il 75% di tutta la massa barionica. L'H2 è un gas che si forma quando due atomi di idrogeno si legano insieme e diventano una molecola di idrogeno. L'H2 è anche chiamato idrogeno molecolare ed è una molecola omonucleare diatomica. È costituito 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 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 / Referenze

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