Effizient Waasserstoffproduktioun mat Ultraschall
Waasserstoff ass en alternativen Brennstoff dee léiwer ass wéinst senger Ëmweltfrëndlechkeet an Null Kuelendioxid Emissioun. Wéi och ëmmer, konventionell Waasserstoffgeneratioun ass net effizient fir wirtschaftlech Masseproduktioun. D'Ultraschall gefördert Elektrolyse vu Waasser an alkalesche Waasserléisungen resultéiert zu méi héije Waasserstoffausgaben, Reaktiounsrate an Konversiounsgeschwindegkeet. Ultraschall assistéiert Elektrolyse mécht Waasserstoffproduktioun wirtschaftlech an energieeffizient.
Ultraschall gefördert elektrochemesch Reaktiounen wéi Elektrolyse an Elektrokoagulatioun weisen eng verbessert Reaktiounsgeschwindegkeet, Taux an Ausbezuelen.
Effizient Wasserstoff Generatioun mat Sonication
Elektrolyse vu Waasser a wässerleche Léisungen fir den Zweck vun der Waasserstoffgeneratioun ass e verspriechende Prozess fir d'Produktioun vu propperer Energie. D'Elektrolyse vum Waasser ass en elektrochemesche Prozess wou Elektrizitéit applizéiert gëtt fir Waasser an zwee Gase opzedeelen, nämlech Waasserstoff (H2) a Sauerstoff (O2). Fir den H – O – H Bindungen duerch Elektrolyse, en elektresche Stroum leeft duerch d'Waasser.
Fir déi elektrolytesch Reaktioun gëtt eng direkt elektresch Währung applizéiert fir eng aner-weise net-spontan Reaktioun ze initiéieren. Elektrolyse kann Waasserstoff mat héijer Rengheet an engem einfachen, ëmweltfrëndlechen, grénge Prozess mat enger Null CO2 Emissioun generéieren well O2 dat eenzegt Nebenprodukt ass.
2x Ultraschallprozessoren vum Modell UIP200hdT mat Sonden, déi als Elektroden handelen, also Kathode an Anode. D'Ultraschallvibratioun a Kavitatioun fördert elektrochemesch Waasserstoffproduktioun.
Wat d'Elektrolyse vum Waasser ugeet, gëtt d'Spaltung vum Waasser a Sauerstoff a Waasserstoff erreecht andeems en elektresche Stroum duerch d'Waasser passéiert.
Am reinen Waasser bei der negativ gelueden Kathode fënnt eng Reduktiounsreaktioun statt, wou Elektronen (e−) aus der Kathode u Waasserstoffkationen gespent ginn, sou datt Waasserstoffgas entsteet. Op der positiv gelueden Anode fënnt eng Oxidatiounsreaktioun statt, déi Sauerstoffgas generéiert wärend Elektronen un d'Anode ginn. Dëst bedeit datt Waasser op der Anode reagéiert fir Sauerstoff a positiv gelueden Waasserstoffionen (Protonen) ze bilden. Domat ass déi folgend Equatioun vum Energiebalance fäerdeg:
2H+ (aq) + 2e– → H2 (g) (Reduktioun an der Kathode)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (Oxidatioun an der Anode)
Gesamtreaktioun: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
Dacks gëtt alkalescht Waasser fir d'Elektrolyse benotzt fir Waasserstoff ze produzéieren. Alkali Salzer sinn löslech Hydroxide vun Alkalimetaller an alkalesche Äerdmetaller, vun deenen allgemeng Beispiller sinn: Natriumhydroxid (NaOH, och bekannt als kaustesch Soda) a Kaliumhydroxid (KOH, och bekannt als ätzend Kalium). Fir Elektrolyse ginn haaptsächlech Konzentratioune vun 20% bis 40% kaustesch Léisung benotzt.
Sono-elektrochemesch Produktioun vu Waasserstoff bei enger Ultraschallkathode.
Ultraschall Synthese vu Waasserstoff
Wann Waasserstoffgas an enger elektrolytescher Reaktioun produzéiert gëtt, gëtt de Waasserstoff direkt um Zersetzungspotenzial synthetiséiert. D'Uewerfläch vun den Elektroden ass d'Gebitt, wou Waasserstoffbildung op der molekulare Bühn wärend der elektrochemescher Reaktioun geschitt. D'Waasserstoffmoleküle këmmeren sech op der Elektroden Uewerfläch, sou datt duerno Waasserstoffgasblasen ronderëm d'Kathode präsent sinn. D'Benotzung vun Ultraschallelektroden verbessert d'Aktivitéitsimpedanzen an d'Konzentratiounsimpedanz a beschleunegt d'Erhéijung vun de Waasserstoffblasen während der Waasserelektrolyse. Verschidde Studien hunn bewisen datt d'Ultraschall-Waasserstoffproduktioun d'Waasserstoffrend effizient erhéicht.
Virdeeler vun Ultrasonics op Waasserstoffelektrolyse
- Méi héich Waasserstoff nozeginn
- Verbessert Energieeffizienz
wéi Ultraschall Resultater an:
- Erhéicht Massentransfer
- Beschleunegt Reduktioun vun der akkumuléierter Impedanz
- Reduzéiert ohm Spannungsfall
- Reduzéiert Reaktioun Iwwerpotenzial
- Reduzéiert Zersetzungspotenzial
- Entgasung vu Waasser / Waasserléisung
- Botzen vun Elektroden Katalysatoren
Ultraschall Effekter op Elektrolyse
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.
Ultraschall Impakt op d'Elektroden
- Ewechzehuelen Dépôten vun der Elektroden Uewerfläch
- Aktivatioun vun der Elektroden Uewerfläch
- Transport vun Elektrolyte Richtung an ewech vun Elektroden
Ultraschallreinigung an Aktivatioun vun Elektrodenflächen
Massentransfer ass ee vun de entscheedende Faktoren déi d'Reaktiounsrate, d'Geschwindegkeet an d'Ausbezuelung beaflossen. Wärend elektrolytesche Reaktiounen accumuléiert d'Reaktiounsprodukt, zB Nidderschléi, ronderëm wéi och direkt op d'Elektrodenoberflächen a verlangsamt d'elektrolytesch Konversioun vu frëscher Léisung op d'Elektrode. Ultraschall gefördert elektrolytesch Prozesser weisen e verstäerkten Massentransfer an der Bulkléisung an no bei de Flächen. Ultrasonic Schwéngung a Kavitatioun läscht Passivatiounsschichten vun den Elektrodenoberflächen an halen se doduerch permanent voll effizient. Ausserdeem ass Sonifikatioun bekannt fir Reaktiounsweeër duerch sonochemesch Effekter ze verbesseren.
Ënneschten Ohmesche Spannungsfall, Reaktiounsiwwerpotenzial an Zersetzungspotenzial
D'Spannung, déi fir d'Elektrolyse néideg ass, ass bekannt als Zersetzungspotenzial. Ultraschall kann dat néidegt Zersetzungspotenzial bei Elektrolyseprozesser reduzéieren.
Ultraschall Elektrolysezell
Fir Waasserelektrolyse, Ultraschallenergie-Input, Elektrodenspalt an Elektrolytkonzentratioun si Schlësselfaktoren déi d'Waasserelektrolyse an hir Effizienz beaflossen.
Fir eng alkalesch Elektrolyse gëtt eng Elektrolysezelle mat enger wässerlecher ätzender Léisung vun normalerweis 20% -40% KOH oder NaOH benotzt. Elektresch Energie gëtt op zwou Elektroden applizéiert.
Elektrode Katalysatoren kënne benotzt ginn fir d'Reaktiounsgeschwindegkeet ze beschleunegen. Zum Beispill, Pt Elektroden si favorabel well d'Reaktioun méi einfach geschitt.
Wëssenschaftlech Fuerschungsartikele berichten 10% -25% Energiespuer mat der ultraschall-fördert Elektrolyse vum Waasser.
Ultrasonic Elektrolyzer fir Waasserstoffproduktioun op Pilot an Industrieskala
Hielscher Ultrasonics’ industriell Ultraschallprozessoren gi fir d'24/7/365 Operatioun ënner voller Laascht an a schwéiere Prozesser gebaut.
Duerch d'Liwwerung vu robusten Ultraschallsystemer, speziell entworf Sonotroden (Sonden), déi als Elektroden an Ultraschallwelle Sender zur selwechter Zäit funktionnéieren, an Elektrolysereaktoren, entsprécht Hielscher Ultrasonics déi spezifesch Ufuerderunge fir elektrolytesch Waasserstoffproduktioun. All digital industriell Ultraschaller vun der UIP Serie (UIP500hdT (500 Watt), UIP1000hdT (1 kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2 kW), an UIP4000hdT (4kW)) sinn héich performant Ultraschall Eenheeten fir Elektrolyseapplikatiounen.
Ultraschallsonde vun der UIP2000hdT funktionéiert als Anode. Déi ugewandte Ultraschallwellen verstäerken d'elektrolytesch Synthese vu Waasserstoff.
D'Tabell hei drënner gëtt Iech eng Indikatioun vun der geschätzter Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschaller:
| Batch Volume | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 002 bis 5 l | 005 bis 1 l/min | UIP500hdT |
| 005 bis 10 L | 01 bis 2 l/min | UIP1000hdT |
| 007 bis 15 L | 0.15 bis 3 l/min | UIP1500hdT |
| 0.1 bis 20L | 02 bis 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 l | 2 bis 10 l/min | UIP4000hdT |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Hielscher Ultrasonics fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren fir d'Vermëschung vun Uwendungen, Dispersioun, Emulsifikatioun an Extraktioun op Labo, Pilot an Industrieskala.
Fakten Worth Wëssen
Wat ass Waasserstoff?
Waasserstoff ass dat chemescht Element mam Symbol H an der Atomnummer 1. Mat engem Standardatomgewiicht vun 1,008 ass Waasserstoff dat liichtste Element am Periodesystem. Waasserstoff ass déi heefegst chemesch Substanz am Universum, a mécht ongeféier 75% vun der ganzer baryonescher Mass aus. H2 ass e Gas dee sech formt wann zwee Waasserstoffatome sech verbannen an zu engem Waasserstoffmolekül ginn. H2 gëtt och molekulare Waasserstoff genannt an ass eng diatomesch, homonuklear Molekül. Et besteet aus zwee Protonen an zwee Elektronen. Mat enger neutraler Ladung ass molekulare Waasserstoff stabil an doduerch déi allgemeng Form vu Waasserstoff.
Wann Waasserstoff op industrieller Skala produzéiert gëtt, ass Dampreforméierend Äerdgas déi meescht benotzt Produktiounsform. Eng alternativ Method ass d'Elektrolyse vum Waasser. Déi meescht Waasserstoff gëtt no der Plaz vu senger leschter Benotzung produzéiert, zB bei fossille Brennstoffveraarbechtungsanlagen (zB Hydrocracking) an Ammoniak-baséiert Düngerproduzenten.
Literatur / Referenzen
- 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.