Ultrasoonbehandeling is een efficiënte en eenvoudige methode om magnesiumhydride voor waterstofopslag te produceren. Ultrasoon geluid versnelt de hydrolyse van magnesium en waterstof om magnesiumhydride te vormen. In tegenstelling tot het conventionele dissociatieve chemisorptieproces verloopt de ultrasone hydrolyse van magnesiumhydride bij kamertemperatuur en omgevingsdruk. Dit maakt de sono-chemische route gemakkelijk, veilig en gemakkelijk beschikbaar. Ultrasoon ultrageluid maakt een snelle en efficiënte productie van grote hoeveelheden magnesiumhydride mogelijk.

Magnesiumhydride voor waterstofopslag

Magnesiumhydride, MgH₂heeft veel aandacht getrokken als optie voor waterstofopslag. De belangrijkste voordelen zijn de overvloedige hulpbronnen, de hoge prestaties, het lichte gewicht, de lage kosten en de veiligheid. In vergelijking met andere hydriden die bruikbaar zijn voor waterstofopslag, is MgH₂ heeft de hoogste waterstofopslagdichtheid met maximaal 7,6 wt %. Waterstof kan in Mg worden opgeslagen in de vorm van op Mg gebaseerde metaalhydriden. Het proces van MgH2-synthese staat bekend als dissociatieve chemisorptie. Een gangbare methode om Mg-metaalhydride te produceren uit Mg en H2, is de vorming bij een temperatuur van 300-400°C en een waterstofdruk van 2,4-40 MPa. De formatievergelijking gaat als volgt: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
De hoge warmtebehandeling gaat gepaard met aanzienlijke degradatie-effecten van de hydriden, zoals herkristallisatie, fasescheiding, nanodeeltjesagglomeratie, enz. Bovendien maken de hoge temperaturen en drukken de vorming van MgH2 energie-intensief, complex en daardoor duur. Een alternatieve niet-thermische en aanzienlijk eenvoudiger methode is de ultrasonisch gestimuleerde hydrolyse van magnesiumhydride bij kamertemperatuur en omgevingsdruk.

Ultrasone hydrolyse van magnesiumhydride

Ultrasoon geluid staat bekend om zijn vermogen chemische reacties op gang te brengen en te versnellen, chemische routes te beïnvloeden en de algehele efficiëntie van een reactie te verbeteren. De gunstige effecten van ultrasoon geluid met een lage frequentie en een hoog vermogen op chemische reacties staan bekend als sono-chemie.
Vermogensechografie wordt reeds toegepast bij vele heterogene reacties, katalyses en syntheses in R&D en industrieel stadium om het rendement, de omzettingssnelheid en de algemene reactie-efficiëntie te verhogen. Ook voor de hydrolytische synthese van magnesiumhydride is het wetenschappelijk bewezen dat sonificatie zeer nuttig is.
Sonificatie verbetert de massaoverdracht, waardoor de reactie wordt versneld, en helpt de thermodynamische en kinetische barrières te overwinnen. Thermische energie, d.w.z. warmte, is nodig om de absorptie/desorptie-hydrogeneringsprocessen in magnesium aan te drijven. Het gebruik van niet-directe thermische energiebronnen, zoals ultrageluid, is een efficiënt alternatief om magnesiumhydride te destabiliseren.
De onderzoeksgroep van Hiroi et al. (2011) onderzocht het effect van ultrasoonbehandeling met verschillende frequenties op de hydrolyse van magnesiumhydride (MgH2). Zij vonden dat ultrasoon geluid met een lage frequentie de meest efficiënte methode was om een hoge omzettingssnelheid te verkrijgen. De hydrolysesnelheid bij laagfrequente sonicatie "bereikte maar liefst 76% in termen van de reactiegraad bij 7,2 ks bij een ultrasone frequentie van 28 kHz. Deze waarde was meer dan 15 maal de waarde die werd verkregen in het geval van het niet-gesoniseerde monster, hetgeen wijst op een equivalente waterstofdichtheid van 11,6 massa-% op basis van het gewicht van MgH2."
Uit de resultaten bleek dat ultrageluid de hydrolysereactie van MgH2 versterkt door de reactiesnelheidsconstante te verhogen als gevolg van de generatie van radicalen en door de passieve laag van Mg(OH)2 over het niet-gereageerde MgH2 te exfoliëren als gevolg van de generatie van grote afschuifkrachten. (Hiroi et al. 2011)

Probleem: trage hydrolyse van magnesiumhydride

Bevordering van MgH2-hydrolyse via kogel malen, warm water behandeling of chemische additieven zijn onderzocht, maar bleken de chemische omzettingssnelheid niet significant te verhogen. Wat de toevoeging van chemicaliën betreft, produceerden chemische additieven, zoals buffermiddelen, chelatoren en ionenwisselaars, die de vorming van een passiverende Mg(OH)2-laag hielpen voorkomen, onzuiverheden in het post-Mg-cyclusproces.

Oplossing: Ultrasone dispersie van magnesiumhydride

Ultrasoon dispergeren en nat malen is een zeer efficiënte techniek om deeltjes en kristallen van nanogrootte te produceren met een zeer smalle verdelingskromme. Door magnesiumhydride gelijkmatig in nanogrootte te dispergeren, wordt het actieve oppervlak aanzienlijk vergroot. Bovendien verwijdert sonicatie passiverende lagen en verhoogt het de massaoverdracht voor superieure chemische omzettingssnelheden. Ultrasoon malen, dispergeren, deagglomereren en reinigen van de deeltjesoppervlakken overtreffen andere maaltechnieken in efficiëntie, betrouwbaarheid en eenvoud.

Ultrasoon nat malen en dispergeren is een zeer efficiënte methode voor de deeltjesverkleining, b.v. van magnesiumhydride

Ultrasone nanostructurering van MgH2

Nano-grootte/nanostructuur op basis van magnesium, zoals MgH2 nanodeeltjes en nanovezels, kan verder worden verbeterd door de deeltjes- en korrelgrootte te verkleinen, waardoor hun hydridevormingsenthalpie ΔH wordt verlaagd. Ultrasone nanostructurering is een zeer effectieve techniek waarmee de thermodynamica van magnesiumhydride kan worden gewijzigd zonder de waterstofcapaciteit te beïnvloeden. De ultrafijne MgH2 nanodeeltjes vertonen een significant verbeterde waterstofdesorptiecapaciteit.

Ultrasooninstallaties met hoge capaciteit voor MgH2-hydrolyse

sonochemistry – de toepassing van ultrageluid op chemische reacties – is een betrouwbare verwerkingstechnologie, die syntheses, katalytische reacties en andere heterogene reacties vergemakkelijkt en versnelt. Het Hielscher Ultrasonics portfolio omvat het volledige scala van compacte lab ultrasoon apparaten tot industriële sonochemische systemen voor allerlei chemische toepassingen, zoals de hydrolyse van magnesiumhydride en de nano-vermaling / nano-structurering daarvan. Hierdoor kunnen wij u bij Hielscher de meest geschikte ultrasoonmachine voor uw beoogde MgH2 synthese aanbieden. Onze ervaren medewerkers zullen u bijstaan vanaf haalbaarheidstesten en procesoptimalisatie tot de installatie van uw ultrasoon systeem op het uiteindelijke productieniveau.
Doordat onze ultrasone homogenisatoren weinig ruimte innemen en veelzijdig kunnen worden geïnstalleerd, passen ze zelfs in verwerkingsinstallaties met weinig ruimte. Ultrasone homogenisatoren worden wereldwijd geïnstalleerd in fijnchemie-, petrochemie-, en nanomaterialenproductiefaciliteiten.

Batch en Inline

Hielscher's sonochemische apparatuur kan worden gebruikt voor batch- en continue doorstroomverwerking. Ultrasone batchverwerking is ideaal voor het testen van processen, optimalisering en kleine tot middelgrote productievolumes. Voor de productie van grote volumes materialen kan inline processing voordeliger zijn. Een continu inline mengproces vereist een geavanceerde opstelling – bestaande uit een pomp, slangen of leidingen en tanks -, maar het is zeer efficiënt, snel en vereist aanzienlijk minder arbeid. Hielscher Ultrasonics heeft de meest geschikte sonochemische opstelling voor uw sono-synthesereactie, verwerkingsvolume en doelstellingen.

Ultrasone sondes en reactoren voor MgH2-hydrolyse op elke schaal

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige spectrum van ultrasoonprocessoren, van compacte laboratorium ultrasoonprocessoren via bench-top en pilot systemen tot volledig industriële ultrasoonprocessoren met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Het volledige productassortiment stelt ons in staat u de meest geschikte ultrasone homogenisator te bieden voor uw procescapaciteit en productiedoelen.
Ultrasone benchtopsystemen zijn ideaal voor haalbaarheidstests en procesoptimalisering. Lineaire schaalvergroting op basis van vastgestelde procesparameters maakt het zeer eenvoudig om de verwerkingscapaciteit op te voeren van kleinere partijen tot volledige commerciële productie. Opschaling is mogelijk door een krachtiger ultrasoonapparaat te installeren of meerdere ultrasoonapparaten parallel te clusteren. Met de UIP16000 biedt Hielscher de krachtigste ultrasoon homogenisator ter wereld.

Precies beheersbare amplitudes voor optimale resultaten

Alle Hielscher ultrasoonapparaten zijn nauwkeurig regelbare en daardoor betrouwbare werkpaarden in de productie. De amplitude is een van de cruciale procesparameters die de efficiëntie en effectiviteit van sonochemische reacties beïnvloeden Alle Hielscher Ultrasonics’ processoren maken het mogelijk om de amplitude nauwkeurig in te stellen. Sonotrodes en boosterhoorns zijn accessoires die het mogelijk maken om de amplitude in een nog groter bereik te wijzigen. Hielscher's industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren en de vereiste ultrasone intensiteit voor veeleisende toepassingen. Amplituden tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden uitgevoerd in 24 uur per dag, 7 dagen per week.
Nauwkeurige amplitude-instellingen en de permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software bieden u de mogelijkheid om uw reagentia te behandelen met de meest effectieve ultrasone condities. Optimale sonicatie voor een uitstekende chemische omzettingssnelheid!
De robuustheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur maakt het mogelijk om 24 uur per dag, 7 dagen per week te werken bij zware belasting en in veeleisende omgevingen. Dit maakt Hielscher's ultrasoonapparatuur tot een betrouwbaar werkinstrument dat voldoet aan uw chemische proceseisen.

Hoogste kwaliteit – Ontworpen en geproduceerd in Duitsland

Als familiebedrijf en familiebedrijf geeft Hielscher prioriteit aan de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasone processors. Alle ultrasoonmakers zijn ontworpen, vervaardigd en grondig getest in ons hoofdkantoor in Teltow in de buurt van Berlijn, Duitsland. Robuustheid en betrouwbaarheid van Hielscher's ultrasone apparatuur maken het een werkpaard in uw productie. 24/7 bediening onder volle belasting en in veeleisende omgevingen is een natuurlijk kenmerk van hielscher's high-performance mixers.
Hielscher Ultrasonics’ industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden uitgevoerd in 24 uur per dag, 7 dagen per week. Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotrodes beschikbaar.

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