Waterstof is een alternatieve brandstof die de voorkeur verdient vanwege zijn milieuvriendelijkheid en het feit dat er geen kooldioxide wordt uitgestoten. De conventionele productie van waterstof is echter niet efficiënt voor een economische massaproductie. De ultrasoon gestimuleerde elektrolyse van water en alkalische wateroplossingen resulteert in een hogere waterstofopbrengst, reactiesnelheid en omzettingssnelheid. Ultrasonisch gestimuleerde elektrolyse maakt de waterstofproductie economisch en energie-efficiënt.
Ultrasonisch bevorderde elektrochemische reacties zoals elektrolyse en elektrocoagulatie laten een verbeterde reactiesnelheid, snelheid en opbrengst zien.

Efficiënte waterstofproductie met Sonication

Elektrolyse van water en waterige oplossingen voor de productie van waterstof is een veelbelovend proces voor de productie van schone energie. De elektrolyse van water is een elektrochemisch proces waarbij elektriciteit wordt toegepast om water te splitsen in twee gassen, namelijk waterstof (H2) en zuurstof (O2). Om de H – de – H-bindingen door middel van elektrolyse, een elektrische stroom wordt door het water geleid.
Voor de elektrolytische reactie wordt een directe elektrische stroom toegepast om een anderszins niet-spontane reactie op gang te brengen. Met elektrolyse kan zeer zuivere waterstof worden gegenereerd in een eenvoudig, milieuvriendelijk, groen proces zonder CO2-uitstoot, aangezien O2 het enige bijproduct is.

 
Bij de elektrolyse van water wordt de splitsing van water in zuurstof en waterstof bereikt door een elektrische stroom door het water te laten lopen.
In zuiver water vindt aan de negatief geladen kathode een reductiereactie plaats waarbij elektronen (e-) van de kathode worden gedoneerd aan waterstofkationen zodat waterstofgas wordt gevormd. Aan de positief geladen anode vindt een oxidatiereactie plaats, waarbij zuurstofgas ontstaat terwijl elektronen aan de anode worden afgegeven. Dit betekent dat water aan de anode reageert tot zuurstof en positief geladen waterstofionen (protonen). Hierbij wordt de volgende energiebalansvergelijking ingevuld:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ g) (reductie aan de kathode)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oxidatie aan de anode)
Algehele reactie: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
Vaak wordt voor de elektrolyse alkalisch water gebruikt om waterstof te produceren. Alkalizouten zijn oplosbare hydroxiden van alkalimetalen en aardalkalimetalen, waarvan veel voorkomende voorbeelden zijn: Natriumhydroxide (NaOH, ook bekend als natronloog) en kaliumhydroxide (KOH, ook bekend als kaliloog). Voor elektrolyse worden voornamelijk concentraties van 20% tot 40% bijtende oplossing gebruikt.

 

 

Ultrasone synthese van waterstof

Wanneer waterstofgas wordt geproduceerd in een elektrolytische reactie, wordt de waterstof gesynthetiseerd precies op het ontledingspotentiaal. Het oppervlak van de elektroden is het gebied, waar de vorming van waterstof op moleculair niveau plaatsvindt tijdens de elektrochemische reactie. De waterstofmoleculen vormen een kern aan het oppervlak van de elektrode, zodat er vervolgens waterstofgasbellen rond de kathode aanwezig zijn. Het gebruik van ultrasone elektroden verbetert de activiteitenimpedantie en de concentratie-impedantie en versnelt het opstijgen van de waterstofbellen tijdens de waterelektrolyse. Verschillende studies toonden aan dat de ultrasone waterstofproductie de waterstofopbrengsten efficiënt verhoogt.

 

Ultrasone effecten op de 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.
 
Ultrasoon effect op de elektroden

• Verwijderen van afzettingen van het elektrodeoppervlak
• Activering van het elektrodeoppervlak
• Transport van elektrolyten naar en van elektroden toe

 

Ultrasone reiniging en activering van elektrodeoppervlakken

Massaoverdracht is een van de cruciale factoren die de reactiesnelheid, de snelheid en de opbrengst beïnvloeden. Tijdens de elektrolytische reacties verzamelt het reactieproduct, b.v., zich zowel rond als direct op de elektrodeoppervlakken en vertraagt de elektrolytische omzetting van verse oplossing in de elektrode. Ultrasonisch gestimuleerde elektrolytische processen tonen een verhoogde massaoverdracht in de bulkoplossing en in de buurt van de oppervlakken. Ultrasone trillingen en cavitatie verwijderen passivatielagen van de elektrodeoppervlakken en houden deze daardoor permanent volledig efficiënt. Bovendien is het bekend dat de sonificatie de reactiewegen door middel van sonochemische effecten verbetert.

Onderste Ohmse spanningsdaling, reactiepotentieel en ontledingspotentieel

De spanning die nodig is voor de elektrolyse staat bekend als ontledingspotentiaal. Ultrasoon geluid kan de benodigde ontledingspotentiaal in elektrolyseprocessen verlagen.

Ultrasone elektrolysecel

Voor waterelektrolyse zijn de ultrasone energie-input, de elektrodenafstand en de elektrolytconcentratie belangrijke factoren die van invloed zijn op de waterelektrolyse en de efficiëntie ervan.
Voor een alkalische elektrolyse wordt een elektrolysecel met een waterige bijtende oplossing van meestal 20%-40% KOH of NaOH gebruikt. Op twee elektroden wordt elektrische energie toegepast.
Elektrodekatalysatoren kunnen worden gebruikt om de reactiesnelheid te versnellen. Pt-elektroden zijn bijvoorbeeld gunstig omdat de reactie gemakkelijker verloopt.
In wetenschappelijke onderzoeksartikelen wordt melding gemaakt van 10%-25% energiebesparing door gebruik te maken van de ultrasonisch gestimuleerde elektrolyse van water.

Ultrasone elektrolyzers voor waterstofproductie op proef en industriële schaal

Hielscher Ultrasonics’ industriële ultrasone processoren worden gebouwd voor de 24/7/365 werking onder volle belasting en in zware processen.
Door het leveren van robuuste ultrasone systemen, speciaal ontworpen sonotrodes (sondes), die tegelijkertijd als elektrode en ultrasone golfzender functioneren, en elektrolysereactoren, voldoet Hielscher Ultrasonics aan de specifieke eisen voor de productie van elektrolytische waterstof. Alle digitale industriële ultrasonicatoren van de UIP-serie (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1.5kW), UIP2000hdT (2kW), en UIP4000hdT (4kW)) zijn hoogwaardige ultrasone eenheden voor elektrolysetoepassingen.

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: