Efficiënte waterstofproductie met ultrasoon geluid
Waterstof is een alternatieve brandstof die de voorkeur geniet omdat het milieuvriendelijk is en geen kooldioxide uitstoot. Conventionele waterstofproductie is echter niet efficiënt voor economische massaproductie. De ultrasoon gestimuleerde elektrolyse van water en alkalische wateroplossingen resulteert in een hogere waterstofopbrengst, reactiesnelheid en omzettingssnelheid. Ultrasoon gestuurde elektrolyse maakt waterstofproductie economisch en energiezuinig.
Ultrasoon gestimuleerde elektrochemische reacties zoals elektrolyse en elektrocoagulatie vertonen een verbeterde reactiesnelheid, -snelheid en -opbrengst.
Efficiënte waterstofproductie met Sonicatie
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 – O – H-bindingen door 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. Elektrolyse kan zeer zuivere waterstof genereren in een eenvoudig, milieuvriendelijk, groen proces zonder CO2-uitstoot, aangezien O2 het enige bijproduct is.
2x ultrasone processors van het model UIP200hdT met sondes, die fungeren als elektroden, d.w.z. kathode en anode. De ultrasone trillingen en cavitatie bevorderen de elektrochemische productie van waterstof.
Bij elektrolyse van water wordt water gesplitst in zuurstof en waterstof 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)
Algemene reactie: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
Vaak wordt alkalisch water gebruikt voor de elektrolyse om waterstof te produceren. Alkalimetaalzouten zijn oplosbare hydroxiden van alkalimetalen en aardalkalimetalen, waarvan veelvoorkomende voorbeelden zijn: Natriumhydroxide (NaOH, ook bekend als natronloog) en kaliumhydroxide (KOH, ook bekend als kaliloog). Voor elektrolyse worden voornamelijk concentraties van 20% tot 40% natronloog gebruikt.
Sono-elektrochemische productie van waterstof aan een ultrasone kathode.
Ultrasone synthese van waterstof
Wanneer waterstofgas wordt geproduceerd in een elektrolytische reactie, wordt de waterstof gesynthetiseerd precies op het ontledingspotentiaal. Het oppervlak van elektrodes is het gebied waar waterstofvorming op moleculair niveau plaatsvindt tijdens de elektrochemische reactie. De waterstofmoleculen concentreren zich aan het oppervlak van de elektrode, zodat er vervolgens waterstofgasbellen rond de kathode ontstaan. Het gebruik van ultrasone elektroden verbetert de activiteitsimpedantie en concentratieimpedantie en versnelt het ontstaan van waterstofbellen tijdens waterelektrolyse. Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat ultrasone waterstofproductie de waterstofopbrengst efficiënt verhoogt.
Voordelen van ultrasoon op waterstofelektrolyse
- Hogere waterstofopbrengsten
- Verbeterde energie-efficiëntie
als echografie resulteert in:
- Verhoogde massaoverdracht
- Versnelde vermindering van geaccumuleerde impedantie
- Verminderde ohmse spanningsval
- Verminderde reactieoverpotentiaal
- Verminderd afbraakpotentieel
- Ontgassen van water/waterige oplossing
- Reinigen van elektrodekatalysatoren
Ultrasone effecten op 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.
Ultrasone impact op de elektroden
- Afzettingen van het elektrodeoppervlak verwijderen
- Activering van het elektrodeoppervlak
- Transport van elektrolyten naar en van elektroden
Ultrasone reiniging en activering van elektrodeoppervlakken
Massaoverdracht is een van de cruciale factoren die de reactiesnelheid, -snelheid en -opbrengst beïnvloeden. Tijdens elektrolytische reacties hoopt het reactieproduct, bijv. neerslag, zich zowel rond als direct op de elektrodeoppervlakken op en vertraagt de elektrolytische omzetting van verse oplossing naar elektrode. Ultrasoon gestimuleerde elektrolyseprocessen vertonen een verhoogde massaoverdracht in de bulkoplossing en nabij de oppervlakken. Ultrasone trillingen en cavitatie verwijderen passiveerlagen van de elektrodeoppervlakken en houden ze daardoor permanent volledig efficiënt. Bovendien is bekend dat sonificatie de reactieroutes verbetert door middel van sonochemische effecten.
Lagere Ohmse spanningsval, reactieoverpotentiaal en ontledingspotentiaal
De spanning die nodig is om elektrolyse te laten plaatsvinden staat bekend als het decompositiepotentiaal. Ultrasoon geluid kan het noodzakelijke ontledingspotentiaal in elektrolyseprocessen verlagen.
Ultrasone elektrolysecel
Voor waterelektrolyse zijn de toegevoerde ultrasone energie, de elektrodenafstand en de elektrolytconcentratie belangrijke factoren die de waterelektrolyse en de efficiëntie ervan beïnvloeden.
Voor een alkalische elektrolyse wordt een elektrolysecel met een waterige bijtende oplossing van meestal 20%-40% KOH of NaOH gebruikt. Elektrische energie wordt toegepast op twee elektroden.
Elektrodekatalysatoren kunnen worden gebruikt om de reactiesnelheid te versnellen. Pt-elektroden zijn bijvoorbeeld gunstig omdat de reactie dan gemakkelijker verloopt.
Wetenschappelijke onderzoeksartikelen melden een energiebesparing van 10%-25% bij gebruik van de ultrasoon gestimuleerde elektrolyse van water.
Ultrasone elektrolyzers voor waterstofproductie op pilotschaal en industriële schaal
Hielscher Ultrasonics’ industriële ultrasone processors zijn gebouwd voor 24/7/365 werking onder volledige belasting en in zware processen.
Door het leveren van robuuste ultrasone systemen, speciaal ontworpen sonotrodes (sondes), die tegelijkertijd functioneren als elektrode en ultrasone golfzender, en elektrolysereactoren voldoet Hielscher Ultrasonics aan de specifieke eisen voor elektrolytische waterstofproductie. Alle digitale industriële ultrasone apparaten uit de UIP-serie (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) en UIP4000hdT (4kW)) zijn hoogwaardige ultrasone eenheden voor elektrolysetoepassingen.
Ultrasone sonde van de UIP2000hdT fungeert als anode. De toegepaste ultrasone golven versterken de elektrolytische synthese van waterstof.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0.02 tot 5L | 0.05 tot 1L/min | UIP500hdT |
| 0.05 tot 10L | 0.1 tot 2L/min | UIP1000hdT |
| 0.07 tot 15L | 0.15 tot 3L/min | UIP1500hdT |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Wetenswaardigheden
Wat is waterstof?
Waterstof is het chemische element met het symbool H en atoomnummer 1. Met een standaard atoomgewicht van 1,008 is waterstof het lichtste element in het periodiek systeem. Waterstof is de meest voorkomende chemische stof in het heelal en vormt ruwweg 75% van alle baryonische massa. H2 is een gas dat ontstaat wanneer twee waterstofatomen zich aan elkaar binden tot een waterstofmolecuul. H2 wordt ook moleculaire waterstof genoemd en is een tweeatomig, homonucleair molecuul. Het bestaat uit twee protonen en twee elektronen. Moleculaire waterstof heeft een neutrale lading, is stabiel en daarmee de meest voorkomende vorm van waterstof.
Wanneer waterstof op industriële schaal wordt geproduceerd, is stoomreforming van aardgas de meest gebruikte productievorm. Een alternatieve methode is de elektrolyse van water. De meeste waterstof wordt geproduceerd in de buurt van de plaats waar het later wordt gebruikt, bijv. in de buurt van verwerkingsinstallaties voor fossiele brandstoffen (bijv. hydrokraken) en kunstmestproducenten op basis van ammoniak.
Literatuur / Referenties
- 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.