Efektīva ūdeņraža ražošana ar ultraskaņu
Ūdeņradis ir alternatīva degviela, kurai dodama priekšroka tās videi draudzīgo īpašību un oglekļa dioksīda nulles emisiju dēļ. Tomēr tradicionālā ūdeņraža ieguve nav pietiekami efektīva ekonomiski izdevīgai masveida ražošanai. Ar ultraskaņu veicināta ūdens un sārmainu ūdens šķīdumu elektrolīze nodrošina lielāku ūdeņraža iznākumu, lielāku reakcijas ātrumu un ātrāku pārveidi. Ar ultraskaņu intensificēta elektrolīze padara ūdeņraža ražošanu ekonomisku un energoefektīvu.
Ar ultraskaņu veicinātām elektroķīmiskām reakcijām, piemēram, elektrolīzei un elektrokoagulācijai, ir lielāks reakcijas norises ātrums, reakcijas ātrums un iznākums.
Paātriniet ūdeņraža ražošanu ar ultraskaņas un elektroķīmijas spēku
Apvienojiet ultraskaņas kavitācijas efektivitāti ar elektroķīmisko reakciju precizitāti, lai iegūtu lielāku ūdeņraža iznākumu un samazinātu enerģijas patēriņu. Hielscher modernās sonoelektroķīmiskās sistēmas uzlabo masas pārnesi, palielina katalizatoru aktivitāti un optimizē elektrodu virsmas, nodrošinot stabilu H₂ ieguvi ar augstu ražīgumu.
Galvenās priekšrocības:
- Uzlabota masas pārnese: Ultraskaņas viļņi samazina difūzijas slāņa biezumu, nodrošinot efektīvu reaģentu piegādi elektrodiem.
- Uzlabota katalizatora stabilitāte: Apstrāde ar ultraskaņu novērš nanodaļiņu aglomerāciju, ilgstoši saglabājot augstu katalītisko aktivitāti.
- Energoefektivitāte: Optimizējiet enerģijas ievadi, izmantojot kavitācijas izraisītu mikrosajaukšanu un virsmas attīrīšanu.
Nodrošiniet vienmērīgu, augstas intensitātes kavitāciju ar uzticamiem ultraskaņas procesoriem, kas paredzēti nepārtrauktai H₂ ražošanai 24/7 režīmā. Iegūstiet detalizētu informāciju par mūsu lieljaudas ultraskaņas risinājumiem un konsultējieties ar mūsu ultraskaņas apstrādes ekspertiem!
2x modeļa UIP2000hdT ultraskaņas procesori ar zondēm, kas darbojas kā elektrodi, proti, katods un anods. Ultraskaņas svārstības un kavitācija veicina elektroķīmisko ūdeņraža ražošanu.
Efektīva ūdeņraža ieguve, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu
Ūdens un ūdens šķīdumu elektrolīze ūdeņraža ieguvei ir daudzsološs tīras enerģijas ražošanas process. Ūdens elektrolīze ir elektroķīmisks process, kurā izmanto elektrību, lai sadalītu ūdeni divās gāzēs, proti, ūdeņradī (H₂) un skābeklī (O₂). Lai elektrolīzes ceļā pārrautu H – O – H saites, caur ūdeni laiž elektrisko strāvu.
Elektrolītiskajā reakcijā izmanto līdzstrāvu, lai ierosinātu reakciju, kas citādi nenotiktu spontāni. Ar elektrolīzi var iegūt augstas tīrības ūdeņradi vienkāršā, videi draudzīgā, zaļā procesā ar CO₂ nulles emisijām, jo O₂ ir vienīgais blakusprodukts.
Ūdens elektrolīzē ūdens sadalīšanu skābeklī un ūdeņradī panāk, laižot caur ūdeni elektrisko strāvu.
Tīrā ūdenī pie negatīvi lādētā katoda notiek reducēšanās reakcija, kurā elektroni (e−) no katoda tiek nodoti ūdeņraža katjoniem, veidojot gāzveida ūdeņradi. Pie pozitīvi lādētā anoda notiek oksidēšanās reakcija, kurā rodas gāzveida skābeklis un anodam tiek nodoti elektroni. Tas nozīmē, ka ūdens reaģē pie anoda, veidojot skābekli un pozitīvi lādētus ūdeņraža jonus (protonus). Tādējādi iegūst šādu enerģijas bilances vienādojumu:
2H+ (aq) + 2e– → H₂ (g) (reducēšanās pie katoda)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (oksidēšanās pie anoda)
Kopējā reakcija: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
Ūdeņraža ražošanai elektrolīzē bieži izmanto sārmainu ūdeni. Sārmu sāļi ir šķīstoši sārmu metālu un sārmzemju metālu hidroksīdi, kuru izplatīti piemēri ir nātrija hidroksīds (NaOH, pazīstams arī kā kaustiskā soda) un kālija hidroksīds (KOH, pazīstams arī kā kaustiskais kālijs). Elektrolīzei galvenokārt izmanto sārmu šķīdumus ar koncentrāciju no 20% līdz 40%.
Sonoelektroķīmiska ūdeņraža ražošana pie ultraskaņas katoda.
Ūdeņraža sintēze ar ultraskaņu
Kad elektrolītiskā reakcijā rodas gāzveida ūdeņradis, ūdeņradis tiek sintezēts tieši pie sadalīšanās potenciāla. Elektrodu virsma ir vieta, kur elektroķīmiskās reakcijas laikā molekulārā līmenī veidojas ūdeņradis. Uz elektroda virsmas veidojas ūdeņraža molekulu kodoli, tāpēc vēlāk ap katodu parādās gāzveida ūdeņraža burbuļi. Ultraskaņas elektrodu izmantošana uzlabo aktivitātes impedances un koncentrācijas impedanci un paātrina ūdeņraža burbuļu pacelšanos ūdens elektrolīzes laikā. Vairāki pētījumi ir pierādījuši, ka ūdeņraža ražošana ar ultraskaņu efektīvi palielina ūdeņraža iznākumu.
- Lielāks ūdeņraža iznākums
- Uzlabota energoefektivitāte
➡️ Izmantojiet apstrādi ar ultraskaņu, lai panāktu:
- Intensīvāku masas pārnesi
- Paātrinātu uzkrātās impedances samazināšanos
- Mazāku omisko sprieguma kritumu
- Mazāku reakcijas pārspriegumu
- Zemāku sadalīšanās potenciālu
- Ūdens / ūdens šķīduma degazēšanu
- Elektrodu katalizatoru tīrīšanu
Ultraskaņas ietekme uz elektrolīzi
Ar ultraskaņu ierosināta elektrolīze ir pazīstama arī kā sonoelektrolīze. Dažādi sonomehāniski un sonoķīmiski ultraskaņas faktori ietekmē un veicina elektroķīmiskās reakcijas.
- Ultraskaņas viļņi rada burbuļus
- Burbuļi saplok
- Ārkārtīgi liels karstums sašķeļ ūdens molekulas
Elektrolīzi ietekmējošie faktori rodas ultraskaņas izraisītas kavitācijas un vibrācijas rezultātā un ietver akustisko plūsmu, mikroturbulenci, mikrostrūklas, triecienviļņus, kā arī sonoķīmiskus efektus. Ultraskaņas / akustiskā kavitācija rodas, kad šķidrumā tiek ievadīti augstas intensitātes ultraskaņas viļņi. Kavitācijas parādību raksturo tā dēvēto kavitācijas burbuļu augšana un saplakšana. Burbuļa imploziju raksturo ārkārtīgi intensīvi, lokāli spēki. Šie spēki ietver intensīvu lokālu uzkaršanu līdz pat 5000K, augstu spiedienu līdz pat 1000 atm un milzīgu uzkaršanas un atdzišanas ātrumu (>100k/sec), un tie izraisa unikālu mijiedarbību starp vielu un enerģiju. Piemēram, šie kavitācijas spēki ietekmē ūdeņraža saites ūdenī un atvieglo ūdens klasteru sašķelšanu, kas savukārt samazina elektrolīzei nepieciešamo enerģijas patēriņu.
Ultraskaņas ietekme uz elektrodiem
- Nogulšņu noņemšana no elektroda virsmas
- Elektroda virsmas aktivēšana
- Elektrolītu transportēšana elektrodu virzienā un prom no tiem
Elektrodu virsmu tīrīšana un aktivēšana ar ultraskaņu
Masas pārnese ir viens no izšķirošajiem faktoriem, kas ietekmē reakcijas ātrumu, norises straujumu un iznākumu. Elektrolītisko reakciju laikā reakcijas produkti, piemēram, nogulsnes, uzkrājas gan ap elektrodu virsmām, gan tieši uz tām un palēnina svaigā šķīduma elektrolītisko pārveidi pie elektroda. Ar ultraskaņu veicinātos elektrolītiskajos procesos ir novērojama intensīvāka masas pārnese šķīduma tilpumā un virsmu tuvumā. Ultraskaņas vibrācija un kavitācija noņem pasivācijas slāņus no elektrodu virsmām un tādējādi pastāvīgi uztur to pilnu efektivitāti. Turklāt ir zināms, ka apstrāde ar ultraskaņu veicina reakciju norises ceļus, pateicoties sonoķīmiskiem efektiem.
Mazāks omiskais sprieguma kritums, mazāks reakcijas pārspriegums un zemāks sadalīšanās potenciāls
Spriegumu, kas nepieciešams elektrolīzes norisei, sauc par sadalīšanās potenciālu. Ultraskaņa var pazemināt elektrolīzes procesos nepieciešamo sadalīšanās potenciālu.
Ultraskaņas elektrolīzes šūna
Ūdens elektrolīzē ievadītā ultraskaņas enerģija, attālums starp elektrodiem un elektrolīta koncentrācija ir galvenie faktori, kas ietekmē ūdens elektrolīzi un tās efektivitāti.
Sārmainajai elektrolīzei izmanto elektrolīzes šūnu ar sārma ūdens šķīdumu, kas parasti satur 20%–40% KOH vai NaOH. Diviem elektrodiem pievada elektroenerģiju.
Reakcijas ātruma palielināšanai var izmantot elektrodu katalizatorus. Piemēram, Pt elektrodi ir izdevīgi, jo reakcija norisinās vieglāk.
Zinātniskajos pētījumu rakstos ziņots par 10%–25% enerģijas ietaupījumu, izmantojot ar ultraskaņu veicinātu ūdens elektrolīzi.
Ultraskaņas elektrolīzeri ūdeņraža ražošanai izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā
Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori ir izstrādāti darbam 24/7/365 ar pilnu slodzi un smagos darba apstākļos.
Piegādājot izturīgas ultraskaņas sistēmas, īpaši izstrādātas sonotrodes (zondes), kas vienlaikus darbojas kā elektrodi un ultraskaņas viļņu pārraidītāji, kā arī elektrolīzes reaktorus, Hielscher Ultrasonics nodrošina ūdeņraža elektrolītiskās ražošanas specifisko prasību izpildi. Visi UIP sērijas digitālie rūpnieciskie ultraskaņas aparāti (UIP500hdT (500 vati), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) un UIP4000hdT (4kW)) ir augstas veiktspējas ultraskaņas ierīces elektrolīzes lietojumiem.
UIP2000hdT ultraskaņas zonde darbojas kā anods. Pielietotie ultraskaņas viļņi pastiprina ūdeņraža elektrolītisko sintēzi.
Tālāk redzamajā tabulā sniegts pārskats par mūsu ultraskaņas aparātiem un sonoelektrodiem elektroķīmiskai H₂ iegūšanai – no pētniecības laboratorijas līdz ražošanai:
| Ultraskaņas aparāts | Ultraskaņas jauda | Tilpums |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Falcon mēģene |
| UP100H | 100W | 10 līdz 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 līdz 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0,2 līdz 4L/min |
Optimizējiet ūdeņraža iznākumu ar apstrādi ar ultraskaņu!
Sonoelektroķīmiskā šūna uzlabotai H2 sintēzei
Bieži uzdotie jautājumi – sonoelektroķīmiskā ūdeņraža ražošana
Kas ir ūdeņradis?
Ūdeņradis ir ķīmiskais elements ar simbolu H un atomskaitli 1. Tā standarta atommasa ir 1,008, un ūdeņradis ir vieglākais elements periodiskajā tabulā. Ūdeņradis ir Visumā visizplatītākā ķīmiskā viela, kas veido aptuveni 75% no visas barionu masas. H₂ ir gāze, kas veidojas, diviem ūdeņraža atomiem savienojoties ūdeņraža molekulā. H₂ sauc arī par molekulāro ūdeņradi, un tā ir divatomu homonukleāra molekula. Tā sastāv no diviem protoniem un diviem elektroniem. Molekulārajam ūdeņradim ir neitrāls lādiņš, tāpēc tas ir stabils un līdz ar to ir visizplatītākā ūdeņraža forma.
Rūpnieciskā mērogā visplašāk izmantotā ūdeņraža ražošanas metode ir dabasgāzes tvaika reformings. Alternatīva metode ir ūdens elektrolīze. Lielāko daļu ūdeņraža ražo tā turpmākās izmantošanas vietas tuvumā, piemēram, pie fosilā kurināmā pārstrādes iekārtām (piemēram, hidrokrekinga iekārtām) un mēslošanas līdzekļu uz amonjaka bāzes ražotnēm.
Kas ir ūdeņraža sonoelektroķīmiskā sintēze?
Sonoelektroķīmiskā sintēze ir hibrīdmetode, kas apvieno ultraskaņas kavitāciju ar ūdens elektroķīmisko sadalīšanu. Iedarbojoties uz elektroķīmisko reaktoru ar augstfrekvences skaņas viļņiem – proti, ultraskaņu –, process uzlabo masas pārnesi, attīra elektrodu virsmas un palielina ūdeņraža iegūšanas kopējo efektivitāti salīdzinājumā ar tradicionālo elektrolīzi.
Kā ultraskaņa palielina ūdeņraža iznākumu elektrolīzē?
Ultraskaņa uzlabo ūdeņraža iegūšanu galvenokārt ar akustiskās kavitācijas palīdzību. Mikroskopisku burbuļu veidošanās un sabrukšana rada intensīvu mikroturbulenci, kas samazina difūzijas slāņa biezumu pie elektroda virsmas. Tas nodrošina ātrāku reaģentu piegādi katalizatoram un palīdz efektīvāk aizvadīt ūdeņraža gāzes burbuļus, novēršot «gāzes ekranēšanu» un ļaujot sasniegt lielāku strāvas blīvumu.
Kādas ir priekšrocības, izmantojot rūpniecisko ultraskaņas aparātu ūdeņraža sintēzei?
Augstas intensitātes ultraskaņas procesoru, piemēram, Hielscher rūpnieciskās UIP sērijas UIP2000hdT, izmantošana sniedz vairākas priekšrocības:
- Paaugstināta katalizatora aktivitāte: Apstrāde ar ultraskaņu novērš nanodaļiņu aglomerāciju, saglabājot katalizatoru (piemēram, Pt, TiO₂ vai Ni) augsto aktivitāti.
- Elektrodu tīrīšana: Ultraskaņa nepārtraukti attīra elektrodu virsmas, samazinot polarizāciju un pagarinot reaktora komponentu kalpošanas laiku.
- Mērogojamība: Šīs sistēmas ir paredzētas nepārtrauktam darbam 24/7, tāpēc tās ir piemērotas gan laboratorijas pētījumiem, gan ūdeņraža ražošanai rūpnieciskā mērogā.
Kāda ir kavitācijas loma sonoelektroķīmiskajās reakcijās?
Akustiskā kavitācija ir sonоelektroķīmijas pamatmehānisms. Kad ultraskaņas viļņi izplatās šķidrumā, tie rada pārmaiņus augsta un zema spiediena ciklus. Zema spiediena cikla laikā veidojas un aug sīki vakuuma burbulīši; augsta spiediena cikla laikā tie implozīvi sabrūk. Šī sabrukšana lokāli rada ārkārtīgi augstu temperatūru un spiedienu, kas var veicināt ķīmiskās reakcijas un ievērojami uzlabot kontaktu starp elektrodiem un elektrolītu.
Vai sonoelektroķīmiju var izmantot ar atjaunīgajiem enerģijas avotiem?
Jā. Sonoelektroķīmiskās sistēmas var integrēt ar atjaunīgajiem enerģijas avotiem, piemēram, saules vai vēja enerģiju. Ultraskaņas procesoru spēja efektīvi darboties dažādos jaudas līmeņos padara tos lieliski piemērotus nepastāvīgai energoapgādei, potenciāli samazinot zaļā ūdeņraža ražošanas oglekļa pēdas nospiedumu.
Kā sonoelektroķīmiskā ūdeņraža ražošana atšķiras no tradicionālā metāna tvaika riforminga?
Atšķirībā no metāna tvaika riforminga (SMR), kurā izmanto fosilo kurināmo un izdala ievērojamu CO₂ daudzumu, sonoelektroķīmiskajā sintēzē parasti kā izejvielu izmanto ūdeni. Lai gan SMR pašlaik ir plašāk ieviests, sonoelektroķīmija piedāvā tīrāku, “zaļu” alternatīvu, kurā var izmantot atjaunīgo elektroenerģiju, padarot to par vienu no galvenajām tehnoloģijām ilgtspējīgai ūdeņraža ekonomikai.
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.
- José González-García, Ludovic Drouin, Craig E. Banks, Biljana Šljukić, Richard G. Compton (2007): At point of use sono-electrochemical generation of hydrogen peroxide for chemical synthesis: The green oxidation of benzonitrile to benzamide. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 14, Issue 2, 2007. 113-116.
- 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.