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.

2x UIP2000hdT modeļa ultraskaņas procesori ar zondēm, kas darbojas kā elektrodi, t.i., katods un anods. Ultraskaņas vibrācija un kavitācija veicina elektroķīmisko ūdeņraža ražošanu.
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 priekšrocības ūdeņraža elektrolīzē
- Augstāka ūdeņraža raža
- Uzlabota energoefektivitāte
Tā kā ultraskaņa rada:
- Palielināta masas pārnešana
- Paātrināta uzkrātās pretestības samazināšana
- Samazināts oma sprieguma kritums
- Samazināts reakcijas potenciāls
- Samazināts sadalīšanās potenciāls
- Ūdens/ūdens šķīduma degazēšana
- Elektrodu katalizatoru tīrīšana
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.

UIP2000hdT ultraskaņas zonde darbojas kā anods. Pielietotie ultraskaņas viļņi pastiprina ūdeņraža elektrolītisko sintēzi.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
---|---|---|
0.02 līdz 5L | 0.05 līdz 1L/min | UIP500hdT |
0.05 līdz 10L | 01 līdz 2 l/min | UIP1000hdT |
0.07 līdz 15L | 0.15 līdz 3 l/min | UIP1500hdT |
0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Fakti, kurus ir vērts zināt
Kas ir ūdeņradis?
Ūdeņradis ir ķīmiskais elements ar simbolu H un atomskaitli 1. Ar standarta atomu svaru 1, 008, ūdeņradis ir vieglākais elements periodiskajā tabulā. Ūdeņradis ir visbagātākā ķīmiskā viela Visumā, kas veido aptuveni 75% no visas barioniskās masas. H2 ir gāze, kas veidojas, kad divi ūdeņraža atomi savienojas kopā un kļūst par ūdeņraža molekulu. H2 sauc arī par molekulāro ūdeņradi, un tā ir diatomiska, homonukleāra molekula. Tas sastāv no diviem protoniem un diviem elektroniem. Ar neitrālu lādiņu molekulārais ūdeņradis ir stabils un tādējādi visizplatītākais ūdeņraža veids.
Ja ūdeņradis tiek ražots rūpnieciskā mērogā, tvaika riforminga dabasgāze ir visplašāk izmantotais ražošanas veids. Alternatīva metode ir ūdens elektrolīze. Lielākā daļa ūdeņraža tiek ražota netālu no pēdējās izmantošanas vietas, piemēram, netālu no fosilā kurināmā pārstrādes iekārtām (piemēram, hidrokrekinga) un mēslošanas līdzekļu ražotājiem, kuru pamatā ir amonjaks.
Literatūra / Atsauces
- 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.