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.
De waterstofproductie versnellen met behulp van ultrasone golven en elektrochemie
Combineer de efficiëntie van ultrasone cavitatie met de precisie van elektrochemische reacties om een hogere waterstofopbrengst en een lager energieverbruik te realiseren. De geavanceerde sono-elektrochemische systemen van Hielscher bevorderen de massaoverdracht, verbeteren de katalysatoractiviteit en optimaliseren de elektrodeoppervlakken voor een consistente, hoogwaardige H₂-productie.
Belangrijkste voordelen:
- Verbeterde massaoverdracht: Ultrasone golven verminderen de dikte van de diffusielaag, waardoor de reactanten efficiënt naar de elektroden worden getransporteerd.
- Verbeterde stabiliteit van de katalysator: Door ultrasone behandeling wordt agglomeratie van nanodeeltjes voorkomen, waardoor de hoge katalytische activiteit op lange termijn behouden blijft.
- Energie-efficiëntie: Optimaliseer het energieverbruik door gebruik te maken van door cavitatie veroorzaakte micromenging en oppervlaktereiniging.
Zorg voor consistente cavitatie met hoge intensiteit dankzij betrouwbare ultrasone processors die zijn ontworpen voor continue H₂-productie, 24 uur per dag, 7 dagen per week. Ontvang gedetailleerde informatie over onze krachtige ultrasone oplossingen en neem contact op met onze experts op het gebied van ultrasone bewerking!
2x ultrasone processoren van het model UIP2000hdT met sondes, die fungeren als elektroden, d.w.z. kathode en anode. De ultrasone trillingen en cavitatie bevorderen de elektrochemische productie van waterstof.
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.
Wat de elektrolyse van water betreft: de splitsing van water in zuurstof en waterstof wordt bereikt door een elektrische stroom door het water te leiden.
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 (v) → 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.
- Hogere waterstofopbrengsten
- Verbeterde energie-efficiëntie
➡️ Gebruik ultrasone trillingen voor:
- 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
Ultrasoon aangestuurde elektrolyse staat ook bekend als sono-elektrolyse. Verschillende ultrasone factoren van sonomechanische en sonochemische aard beïnvloeden en bevorderen elektrochemische reacties.
- Echogolven veroorzaken belletjes
- Bellen barsten
- Extreme hitte splitst watermoleculen
De factoren die de elektrolyse beïnvloeden, zijn het gevolg van door ultrageluid veroorzaakte cavitatie en trillingen en omvatten akoestische stroming, microturbulenties, microstralen, schokgolven en sonochemische effecten. Ultrasone / akoestische cavitatie treedt op wanneer ultrasone golven met hoge intensiteit in een vloeistof worden gekoppeld. Het fenomeen cavitatie wordt gekenmerkt door de groei en het instorten van zogenaamde cavitatiebellen. De implosie van de bellen gaat gepaard met superintensieve, lokaal optredende krachten. Deze krachten omvatten intense lokale verhitting tot 5000 K, hoge drukken tot 1000 atm en enorme verwarmings- en afkoelsnelheden (>100k/sec) en ze veroorzaken een unieke interactie tussen materie en energie. Deze cavitatiekrachten beïnvloeden bijvoorbeeld de waterstofbruggen in water en bevorderen de splitsing van waterclusters, wat vervolgens resulteert in een lager energieverbruik bij de elektrolyse.
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 en de opbrengst beïnvloeden. Tijdens elektrolytische reacties hopen de reactieproducten, zoals neerslagen, zich zowel rondom als direct op de elektrodeoppervlakken op en vertragen zo de elektrolytische omzetting van verse oplossing naar de elektrode. Door ultrasone trillingen gestimuleerde elektrolytische processen vertonen een verhoogde massaoverdracht in de bulkoplossing en nabij de oppervlakken. Ultrasone trillingen en cavitatie verwijderen passiveringslagen van de elektrodeoppervlakken, waardoor deze permanent volledig efficiënt blijven. Bovendien is bekend dat ultrasone behandeling de reactiepaden verbetert door 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 u een overzicht van onze sonicators en sono-elektroden voor elektrochemische H₂-productie – van onderzoekslaboratorium naar productie:
| sonicator | Ultrasoonvermogen | volume |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Falcon buis |
| UP100H | 100W | 10 tot 200 ml/min |
| UP400St | 400W | 20 tot 400 ml/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0.2 tot 4L/min |
Optimaliseer uw waterstofopbrengst met ultrasone behandeling!
Sono-elektrochemische cel voor verbeterde H₂-synthese
FAQ – Sono-elektrochemische waterstofproductie
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.
Wat is sono-elektrochemische waterstofsynthese?
Sono-elektrochemische synthese is een hybride techniek waarbij ultrasone cavitatie wordt gecombineerd met elektrochemische watersplitsing. Door hoogfrequente geluidsgolven toe te passen – d.w.z. echografie – in een elektrochemische reactor zorgt het proces voor een betere massaoverdracht, reinigt het de elektrodeoppervlakken en verbetert het de algehele efficiëntie van de waterstofproductie in vergelijking met traditionele elektrolyse.
Hoe zorgt ultrasoon geluid voor een hogere waterstofopbrengst bij elektrolyse?
Echografie bevordert de waterstofproductie voornamelijk door middel van akoestische cavitatie. Het ontstaan en uiteenspatten van microscopisch kleine belletjes zorgt voor intense microturbulentie, waardoor de dikte van de diffusielaag aan het elektrodeoppervlak afneemt. Dit zorgt ervoor dat de reactanten sneller bij de katalysator terechtkomen en helpt bij het efficiënter afvoeren van waterstofgasbelletjes, waardoor “gasbescherming” en waardoor hogere stroomdichtheden mogelijk worden.
Wat zijn de voordelen van het gebruik van een industriële ultrasone apparatuur voor waterstofsynthese?
Het gebruik van ultrasonische verwerkers met hoge intensiteit, zoals de UIP2000hdT uit de industriële UIP-serie van Hielscher, biedt verschillende voordelen:
- Verbeterde katalysatoractiviteit: Door ultrasone behandeling wordt agglomeratie van nanodeeltjes voorkomen, waardoor katalysatoren (zoals Pt, TiO₂ of Ni) zeer actief blijven.
- Reiniging van de elektroden: Ultrasoon geluid reinigt de oppervlakken van de elektroden continu, waardoor polarisatie wordt verminderd en de levensduur van de reactoronderdelen wordt verlengd.
- Schaalbaarheid: Deze systemen zijn ontworpen voor continu gebruik, 24 uur per dag en 7 dagen per week, waardoor ze geschikt zijn voor zowel laboratoriumonderzoek als waterstofproductie op industriële schaal.
Welke rol speelt cavitatie bij sono-elektrochemische reacties?
Akoestische cavitatie vormt het kernmechanisme van de sono-elektrochemie. Wanneer ultrasone golven door een vloeistof gaan, veroorzaken ze afwisselende cycli van hoge en lage druk. Tijdens de lage-drukcyclus vormen zich minuscule vacuümbelletjes die groeien; tijdens de hoge-drukcyclus storten ze implosief in. Deze instorting genereert plaatselijk extreme temperaturen en drukken, wat chemische reacties kan bevorderen en het contact tussen de elektroden en de elektrolyt aanzienlijk kan verbeteren.
Kan sono-elektrochemie worden toegepast in combinatie met hernieuwbare energiebronnen?
Ja. Sono-elektrochemische systemen kunnen worden geïntegreerd met hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- of windenergie. Omdat ultrasone verwerkers efficiënt kunnen werken bij verschillende vermogensniveaus, zijn ze uitermate geschikt voor intermitterende energievoorzieningen, waardoor de CO₂-voetafdruk van de productie van groene waterstof mogelijk kan worden verkleind.
Hoe verhoudt de sono-elektrochemische waterstofproductie zich tot traditionele stoomreforming van methaan?
In tegenstelling tot stoommethaanreforming (SMR), dat gebruikmaakt van fossiele brandstoffen en aanzienlijke hoeveelheden CO₂ uitstoot, wordt bij sono-elektrochemische synthese doorgaans water als grondstof gebruikt. Hoewel SMR momenteel meer ingeburgerd is, biedt sono-elektrochemie een schonere, “groen” een alternatief dat kan worden aangedreven door hernieuwbare elektriciteit, waardoor het een sleuteltechnologie is voor een duurzame waterstofeconomie.
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.
- 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.