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.

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.

 
Attiecībā uz ūdens elektrolīzi ūdens sadalīšana skābeklī un ūdeņradī tiek panākta, caur ūdeni izlaižot 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) (reducēšana pie katoda)
2H₂O l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oksidācija pie anoda)
Kopējā reakcija: 2H₂O l) → 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

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.
 
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 pārnešana ir viens no izšķirošajiem faktoriem, kas ietekmē reakcijas ātrumu, ātrumu un ražu. Elektrolītisko reakciju laikā reakcijas produkts, piemēram, nogulsnes, uzkrājas gan apkārt, gan tieši uz elektrodu virsmām un palēnina svaiga šķīduma elektrolītisko pārvēršanos par elektrodu. Ultrasoniski veicināti elektrolītiskie procesi liecina par palielinātu masas pārnesi beztaras šķīdumā un virsmu tuvumā. Ultraskaņas vibrācija un kavitācija noņem pasivācijas slāņus no elektrodu virsmām un saglabā tos pastāvīgi pilnībā efektīvus. Turklāt ir zināms, ka sonifikācija uzlabo reakcijas ceļus ar sonochemisku iedarbību.

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 redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu: