Efektīva ūdeņraža ražošana ar ultrasoniku

Ūdeņradis ir alternatīva degviela, kas ir vēlama, jo tā ir videi draudzīga un nerada oglekļa dioksīda emisiju. Tomēr tradicionālā ūdeņraža ražošana nav efektīva ekonomiskai masveida ražošanai. Ultrasoniski veicināta ūdens un sārmu ūdens šķīdumu elektrolīze rada augstāku ūdeņraža ražu, reakcijas ātrumu un konversijas ātrumu. Ultrasoniski atbalstīta elektrolīze padara ūdeņraža ražošanu ekonomisku un energoefektīvu.
Ultrasoniski veicinātas elektroķīmiskās reakcijas, piemēram, elektrolīze un elektrokagulācija, liecina par uzlabotu reakcijas ātrumu, ātrumu un ražu.

Ūdeņraža ražošanas paātrināšana, izmantojot ultraskaņas un elektroķīmijas iespējas

Apvienojiet ultraskaņas kavitācijas efektivitāti ar elektroķīmisko reakciju precizitāti, lai panāktu augstāku ūdeņraža iznākumu un zemāku enerģijas patēriņu. Hielscher modernās sonoelektroķīmiskās sistēmas uzlabo masas pārnesi, paaugstina katalizatora aktivitāti un optimizē elektrodu virsmas, nodrošinot stabilu un augstas veiktspējas H₂ ražošanu.
Galvenās priekšrocības:

• Uzlabota masas pārnešana: Ultraskaņas viļņi samazina difūzijas slāņa biezumu, nodrošinot efektīvu reaģentu piegādi uz elektrodiem.
• Uzlabota katalizatora stabilitāte: Ultraskaņas apstrāde novērš nanodaļiņu aglomerāciju, ilgtermiņā saglabājot augstu katalītisko aktivitāti.
• Energoefektivitātes: Optimizējiet enerģijas patēriņu, izmantojot kavitācijas izraisītu mikrosajaukšanu un virsmas tīrīšanu.

Efektīva ūdeņraža ģenerēšana ar ultraskaņu

Ūdens un ūdens šķīdumu elektrolīze ūdeņraža ražošanai ir daudzsološs process tīras enerģijas ražošanai. Ūdens elektrolīze ir elektroķīmisks process, kurā elektrība tiek izmantota, lai sadalītu ūdeni divās gāzēs, proti, ūdeņradī (H2) un skābeklī (O2). Lai sašķeltu H – O – H saites ar elektrolīzi, caur ūdeni tiek vadīta elektriskā strāva.
Elektrolītiskajai reakcijai tiek izmantota tieša elektriskā valūta, lai uzsāktu cita veida ne-spontānu reakciju. Elektrolīze var radīt augstas tīrības ūdeņradi vienkāršā, videi draudzīgā, zaļā procesā ar nulles CO2 emisiju, jo O2 ir vienīgais blakusprodukts.
Runājot par ūdens elektrolīzi, ūdens sadalīšanās skābeklī un ūdeņradī notiek, caur ūdeni vadot elektrisko strāvu.
Tīrā ūdenī pie negatīvi lādēta katoda notiek reducēšanās reakcija, kur elektroni (e−) no katoda tiek ziedoti ūdeņraža katjoniem, lai veidotos ūdeņraža gāze. Pozitīvi lādētajā anodā notiek oksidācijas reakcija, kas rada skābekļa gāzi, vienlaikus dodot anodam elektronus. Tas nozīmē, ka ūdens reaģē pie anoda, veidojot skābekli un pozitīvi lādētus ūdeņraža jonus (protonus). Tādējādi tiek pabeigts šāds enerģijas bilances vienādojums:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (reducēšanās pie katoda)
2H₂O l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oksidācija pie anoda)
Kopējā reakcija: 2H₂O (šķ.) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
Bieži vien elektrolīzei tiek izmantots sārmains ūdens, lai ražotu ūdeņradi. Sārmu sāļi ir sārmu metālu un sārmzemju metālu šķīstošie hidroksīdi, no kuriem bieži piemēri ir: nātrija hidroksīds (NaOH, pazīstams arī kā kaustiskā soda) un kālija hidroksīds (KOH, pazīstams arī kā kaustiskais potašs). Eletcrolīzei galvenokārt tiek izmantotas koncentrācijas no 20% līdz 40% kaustiskā šķīduma.

Ūdeņraža ultraskaņas sintēze

Ja ūdeņraža gāze tiek ražota elektrolītiskā reakcijā, ūdeņradis tiek sintezēts tieši pie sadalīšanās potenciāla. Elektrodu virsma ir zona, kur elektroķīmiskās reakcijas laikā molekulārā stadijā notiek ūdeņraža veidošanās. Ūdeņraža molekulas kodolojas pie elektroda virsmas, tā ka pēc tam ap katodu ir ūdeņraža gāzes burbuļi. Ultraskaņas elektrodu izmantošana uzlabo aktivitātes pretestību un koncentrācijas pretestību un paātrina ūdeņraža burbuļu celšanos ūdens elektrolīzes laikā. Vairāki pētījumi parādīja, ka ultraskaņas ūdeņraža ražošana efektīvi palielina ūdeņraža ražu.

Ultraskaņas ietekme uz elektrolīzi

Ar ultraskaņu stimulēta elektrolīze ir pazīstama arī kā sonoelektrolīze. Dažādi ultraskaņas faktori — gan sonomehāniski, gan sonoķīmiskas dabas — ietekmē un veicina elektrokīmiskās reakcijas.

1. Ultraskaņas viļņi rada burbuļus
2. Burbuļi pārsprāgst
3. Ļoti liela karstuma ietekmē ūdens molekulas sadalās

Elektrolīzi ietekmējošie faktori rodas ultraskaņas izraisītās kavitācijas un vibrācijas rezultātā, un tie ietver akustisko plūsmu, mikroturbulences, mikrostrūklas, triecienviļņus, kā arī sonokīmiskos efektus. Ultraskaņas/akustiskā kavitācija rodas, kad augstas intensitātes ultraskaņas viļņi tiek ievadīti šķidrumā. Kavitācijas parādību raksturo tā saukto kavitācijas burbuļu veidošanās un sabrukums. Burbuļu imploziju raksturo ārkārtīgi intensīvas, lokāli iedarbīgas spēkas. Šīs spēkas ietver intensīvu lokālu sasilšanu līdz pat 5000 K, augstu spiedienu līdz pat 1000 atm, kā arī milzīgus sasilšanas un atdzišanas ātrumus (>100k/sek.), un tās izraisa unikālu mijiedarbību starp matēriju un enerģiju. Piemēram, šie kavitācijas spēki ietekmē ūdeņraža saites ūdenī un veicina ūdens klasteru sadalīšanos, kas savukārt samazina enerģijas patēriņu elektrolīzes procesā.
 
Ultraskaņas ietekme uz elektrodiem

• Nogulšņu noņemšana no elektroda virsmas
• Elektrodu virsmas aktivizēšana
• Elektrolītu transportēšana uz elektrodiem un prom no tiem

Elektrodu virsmu ultraskaņas tīrīšana un aktivizēšana

Masas pārnese ir viens no izšķirošajiem faktoriem, kas ietekmē reakcijas ātrumu, intensitāti un iznākumu. Elektrolītisko reakciju laikā reakcijas produkti, piemēram, nogulsnes, uzkrājas gan ap elektrodu virsmām, gan tieši uz tām, tādējādi palēninot svaiga šķīduma elektrolītisko pārveidošanos uz elektrodu. Ar ultraskaņu veicināti elektrolītiskie procesi raksturojas ar paaugstinātu masas pārnesi gan šķīduma tilpumā, gan pie virsmām. Ultraskaņas vibrācijas un kavitācija noņem pasivācijas slāņus no elektrodu virsmām, tādējādi nodrošinot to pastāvīgu un pilnīgu efektivitāti. Turklāt ir zināms, ka sonifikācija uzlabo reakcijas gaitu, izmantojot sonokīmiskos efektus.

Zemāks oma sprieguma kritums, reakcijas pārpotenciāls un sadalīšanās potenciāls

Spriegums, kas nepieciešams, lai notiktu elektrolīze, ir pazīstams kā sadalīšanās potenciāls. Ultraskaņa var samazināt nepieciešamo sadalīšanās potenciālu elektrolīzes procesos.

Ultraskaņas elektrolīzes šūna

Ūdens elektrolīzei ultraskaņas enerģijas ievade, elektrodu sprauga un elektrolītu koncentrācija ir galvenie faktori, kas ietekmē ūdens elektrolīzi un tās efektivitāti.
Sārmainai elektrolīzei tiek izmantota elektrolīzes šūna ar ūdens kaustisko šķīdumu, kas parasti ir 20%–40% KOH vai NaOH. Elektriskā enerģija tiek pielietota diviem elektrodiem.
Reakcijas ātruma paātrināšanai var izmantot elektrodu katalizatorus. Piemēram, Pt elektrodi ir labvēlīgi, jo reakcija notiek vieglāk.
Zinātniski pētnieciskie raksti ziņo par 10%-25% enerģijas taupīšanu, izmantojot ultrasoniski veicināto ūdens elektrolīzi.

Ultraskaņas elektrolīzeri ūdeņraža ražošanai izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā

Hielscher Ultrasonics’ Rūpnieciskie ultraskaņas procesori ir būvēti 24/7/365 darbībai ar pilnu slodzi un lieljaudas procesos.
Piegādājot izturīgas ultraskaņas sistēmas, speciāli konstruētus sonotrodes (zondes), kas vienlaikus darbojas kā elektrods un ultraskaņas viļņu raidītājs, un elektrolīzes reaktorus, Hielscher Ultrasonics atbilst īpašām prasībām elektrolītiskā ūdeņraža ražošanai. Visi UIP sērijas digitālie rūpnieciskie ultrasonikatori (UIP500hdT (500 vati), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2kW) un UIP4000hdT (4kW)) ir augstas veiktspējas ultraskaņas vienības elektrolīzes lietojumiem.

Zemāk esošajā tabulā ir sniegts pārskats par mūsu ultraskaņas ģeneratoriem un sonoelektrodiem, kas paredzēti H₂ ražošanai elektroķīmiskā ceļā – no pētniecības laboratorijas līdz ražošanai: