Wydajna produkcja wodoru za pomocą ultradźwięków

Wodór jest paliwem alternatywnym, które jest preferowane ze względu na jego przyjazność dla środowiska i zerową emisję dwutlenku węgla. Jednakże, konwencjonalna produkcja wodoru nie jest efektywna w ekonomicznej produkcji masowej. Promowana ultradźwiękowo elektroliza wody i alkalicznych roztworów wodnych powoduje wyższą wydajność wodoru, szybkość reakcji i szybkość konwersji. Elektroliza wspomagana ultradźwiękami sprawia, że produkcja wodoru jest ekonomiczna i efektywna energetycznie.
Promowane ultradźwiękowo reakcje elektrochemiczne, takie jak elektroliza i elektrokoagulacja, wykazują zwiększoną szybkość reakcji, szybkość i wydajność.

Wydajne wytwarzanie wodoru za pomocą sondowania

Elektroliza wody i roztworów wodnych w celu wytworzenia wodoru jest obiecującym procesem do produkcji czystej energii. Elektroliza wody jest procesem elektrochemicznym, w którym energia elektryczna jest stosowana do rozszczepienia wody na dwa gazy, mianowicie wodór (H2) i tlen (O2). W celu rozszczepienia H – O – Wiązania H przez elektrolizę, prąd elektryczny jest prowadzony przez wodę.
W przypadku reakcji elektrolitycznej, bezpośrednie zasilanie elektryczne jest stosowane w celu zainicjowania innej niż spontaniczna reakcji. Elektroliza może generować wodór o wysokiej czystości w prostym, przyjaznym dla środowiska, zielonym procesie z zerową emisją CO2, ponieważ O2 jest jedynym produktem ubocznym.

Ten film ilustruje pozytywny wpływ ultradźwięków z elektrodą bezpośrednią na prąd elektryczny. Wykorzystano w nim homogenizator ultradźwiękowy Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) z elektrochemią-upiększeniem i tytanową elektrodą/sonotrodą. W wyniku elektrolizy rozcieńczonego kwasu siarkowego powstaje gazowy wodór i gazowy tlen. Ultrasonizacja zmniejsza grubość warstwy dyfuzyjnej na powierzchni elektrody i poprawia transfer masy podczas elektrolizy.

Sonoelektrochemia - ilustracja wpływu ultradźwięków na elektrolizę wsadową

Miniatura wideo

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Ultradźwiękowa synteza elektrochemiczna jest wysoce wydajną metodą produkcji wodoru. Obróbka ultraelektrochemiczna sprzyja rozszczepieniu wiązań he H - O - H w wyniku elektrolizy, przez wodę przepuszczany jest prąd elektryczny.

2x procesory ultradźwiękowe modelu UIP200hdT z sondami, pełniące rolę elektrod, czyli katody i anody. Wibracja i kawitacja ultradźwiękowa sprzyja elektrochemicznej produkcji wodoru.

 
Jeśli chodzi o elektrolizę wody, to rozdzielenie wody na tlen i wodór odbywa się poprzez przepuszczenie przez wodę prądu elektrycznego.
W czystej wodzie na ujemnie naładowanej katodzie zachodzi reakcja redukcji, w której elektrony (e-) z katody są przekazywane do kationów wodoru, tworząc wodór gazowy. Na dodatnio naładowanej anodzie zachodzi reakcja utleniania, która generuje gazowy tlen, jednocześnie oddając elektrony do anody. Oznacza to, że woda reaguje na anodzie, tworząc tlen i dodatnio naładowane jony wodoru (protony). W ten sposób uzupełnione zostaje następujące równanie bilansu energetycznego:
 
2H+ (aq) + 2e → H2 g) (redukcja przy katodzie)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e (utlenianie przy anodzie)
Ogólna reakcja: 2H2O (l) → 2H2 g) + O2 (g)
 
Często do elektrolizy stosuje się wodę alkaliczną w celu wytworzenia wodoru. Sole alkaliczne to rozpuszczalne wodorotlenki metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych, których powszechnymi przykładami są: Wodorotlenek sodu (NaOH, znany również jako soda kaustyczna) i Wodorotlenek potasu (KOH, znany również jako potaż kaustyczny). Do eletkrolizy stosuje się głównie stężenia od 20% do 40% roztworu kaustycznego.

Sono-elektrochemiczna produkcja wodoru na katodzie ultradźwiękowej.

Sono-elektrochemiczna produkcja wodoru na katodzie ultradźwiękowej.

 

Ten film ilustruje pozytywny wpływ ultradźwięków z elektrodą bezpośrednią na prąd elektryczny w układzie elektrolizera H-Cell. Wykorzystano w nim homogenizator ultradźwiękowy Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) z elektrochemią-upiększeniem i tytanową elektrodą/sonotrodą. W wyniku elektrolizy rozcieńczonego kwasu siarkowego powstaje gazowy wodór i gazowy tlen. Ultrasonizacja zmniejsza grubość warstwy dyfuzyjnej na powierzchni elektrody i poprawia transfer masy podczas elektrolizy.

Sonoelektrochemia - ilustracja wpływu ultradźwięków na elektrolizę komórek H.

Miniatura wideo

 

Ultradźwiękowa synteza wodoru

Kiedy wodór jest produkowany w reakcji elektrolitycznej, jest on syntetyzowany bezpośrednio przy potencjale rozkładu. Powierzchnia elektrod to obszar, w którym podczas reakcji elektrochemicznej na etapie molekularnym powstaje wodór. Cząsteczki wodoru nukleidują się na powierzchni elektrody, tak że następnie wokół katody znajdują się pęcherzyki gazu wodorowego. Zastosowanie elektrod ultradźwiękowych poprawia impedancję aktywności i impedancję stężenia oraz przyspiesza powstawanie pęcherzyków wodoru podczas elektrolizy wody. Kilka badań wykazało, że produkcja wodoru za pomocą ultradźwięków skutecznie zwiększa wydajność produkcji wodoru.

 
Korzyści wynikające z zastosowania ultradźwięków na elektrolizie wodorowej

  • Wyższa wydajność wodoru
  • Zwiększona efektywność energetyczna

w wyniku ultradźwięków:

  • zwiększone przenoszenie masy
  • Przyspieszona redukcja skumulowanej impedancji
  • Zmniejszony omowy spadek napięcia
  • Zredukowana reakcja ponadpotencjał
  • Zmniejszony potencjał rozkładu
  • Odgazowywanie wody / roztworu wodnego
  • Czyszczenie katalizatorów elektrodowych

 

Efekty ultradźwiękowe na elektrolizę

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.
 
Ultradźwiękowe oddziaływanie na elektrody

  • Usuwanie osadów z powierzchni elektrody
  • Aktywacja powierzchni elektrody
  • Transport elektrolitów w kierunku i z dala od elektrod

 

Czyszczenie ultradźwiękowe i aktywacja powierzchni elektrod

Transfer masy jest jednym z kluczowych czynników wpływających na szybkość reakcji, prędkość i wydajność. Podczas reakcji elektrolitycznych produkt reakcji, np. wytrąca się, gromadzi się wokół oraz bezpośrednio na powierzchniach elektrody i opóźnia przemianę elektrolityczną świeżego roztworu w elektrodę. Promowane ultradźwiękami procesy elektrolityczne wykazują zwiększone przenoszenie masy w roztworze sypkim i w pobliżu powierzchni. Ultradźwiękowe drgania i kawitacja usuwają warstwy pasywacji z powierzchni elektrody i utrzymują je tym samym trwale w pełni wydajne. Ponadto, dzięki efektom sonochemicznym znana jest poprawa dróg reakcji.

Dolnoomowy spadek napięcia, przekroczenie potencjału reakcji i potencjał dekompozycji

Napięcie wymagane do przeprowadzenia elektrolizy jest znane jako potencjał rozkładu. Ultradźwięki mogą obniżyć niezbędny potencjał rozkładu w procesach elektrolizy.

Komórka do elektrolizy ultradźwiękowej

W przypadku elektrolizy wody kluczowymi czynnikami wpływającymi na elektrolizę wody i jej sprawność są: pobór energii ultradźwiękowej, szczelina w elektrodzie oraz stężenie elektrolitu.
Do elektrolizy alkalicznej używa się naczynia do elektrolizy z wodnym roztworem żrącym zazwyczaj 20%-40% KOH lub NaOH. Energia elektryczna jest aplikowana na dwie elektrody.
Katalizatory elektrodowe mogą być stosowane do przyspieszania prędkości reakcji. Na przykład, elektrody Pt są korzystne, ponieważ reakcja zachodzi łatwiej.
Artykuły z badań naukowych mówią o 10%-25% oszczędności energii przy zastosowaniu ultradźwiękowej elektrolizy wody.

Ultradźwiękowe elektrolizery do produkcji wodoru w skali pilotowej i przemysłowej

Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe są przystosowane do pracy w trybie 24/7/365 przy pełnym obciążeniu i w ciężkich warunkach pracy.
Dostarczając wytrzymałe systemy ultradźwiękowe, specjalnie zaprojektowane sondy (sondy), które działają jednocześnie jako nadajnik elektrody i fali ultradźwiękowej oraz reaktory do elektrolizy, firma Hielscher Ultrasonics spełnia specyficzne wymagania dotyczące elektrolitycznej produkcji wodoru. Wszystkie cyfrowe przemysłowe ultrasonografy serii UIP (UIP500hdT (500 watów), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), oraz UIP4000hdT (4kW)) to wysokowydajne urządzenia ultradźwiękowe do zastosowań w elektrolizie.

Sonda ultradźwiękowa wysokowydajnego ultradźwiękowca UIP2000hdT działa jako anoda. Pod wpływem działania pola ultradźwiękowego następuje elektroliza wodoru.

Sonda ultradźwiękowa UIP2000hdT funkcjonuje jako anoda. Zastosowane fale ultradźwiękowe intensyfikują elektrolityczną syntezę wodoru.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

Wielkość partii natężenie przepływu Polecane urządzenia
0.02 do 5L 0.05 do 1L/min UIP500hdT
0.05 do 10L 0.1 do 2L/min UIP1000hdT
0.07 do 15L 0.15 do 3L/min UIP1500hdT
0.1 do 20L 0.2 do 4L/min UIP2000hdT
10-100L 2 do 10L/min UIP4000hdT

Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Poproś o więcej informacji

Prosimy o skorzystanie z poniższego formularza w celu uzyskania dodatkowych informacji na temat elektrod ultradźwiękowych i systemów sono-elektrochemicznych, szczegółów aplikacji i cen. Z przyjemnością omówimy z Państwem Państwa proces sono-elektrochemiczny i zaproponujemy system ultradźwiękowy spełniający Państwa wymagania!









Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


Ultradźwiękowe homogenizatory o wysokim ścinaniu są stosowane w laboratoriach, na stanowiskach badawczych, w procesach pilotażowych i przemysłowych.

Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do zastosowań mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.



Fakty Warto wiedzieć

Co to jest wodór?

Wodór jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu H i liczbie atomowej 1. Przy standardowej masie atomowej 1,008, wodór jest najlżejszym pierwiastkiem w układzie okresowym. Wodór jest najobfitszą substancją chemiczną we wszechświecie, stanowiącą około 75% całej masy baryłkowej. H2 jest gazem, który powstaje, gdy dwa atomy wodoru łączą się ze sobą i stają się cząsteczką wodoru. H2 jest również nazywany wodorem cząsteczkowym i jest okrzemkową, homonuklearną cząsteczką. Składa się z dwóch protonów i dwóch elektronów. Posiadając neutralny ładunek, wodór molekularny jest stabilny i tym samym najczęstszą formą wodoru.

W przypadku produkcji wodoru na skalę przemysłową, najczęściej stosowaną formą produkcji jest reforming parowy gazu ziemnego. Alternatywną metodą jest elektroliza wody. Większość wodoru jest produkowana w pobliżu miejsca jego późniejszego wykorzystania, np. w pobliżu zakładów przetwarzania paliw kopalnych (np. hydrokrakingu) i producentów nawozów na bazie amoniaku.

Literatura / materiały źródłowe

Chętnie porozmawiamy o Państwa procesie.

Skontaktujmy się.