Wydajna produkcja wodoru za pomocą ultradźwięków

Wodór jest alternatywnym paliwem, które jest preferowane ze względu na jego przyjazność dla środowiska i zerową emisję dwutlenku węgla. Jednak konwencjonalne wytwarzanie wodoru nie jest wydajne dla ekonomicznej produkcji masowej. Promowana ultradźwiękami elektroliza wody i alkalicznych roztworów wodnych skutkuje wyższą wydajnością wodoru, szybkością reakcji i szybkością konwersji. Elektroliza wspomagana ultradźwiękami sprawia, że produkcja wodoru jest ekonomiczna i energooszczędna.
Promowane ultradźwiękami reakcje elektrochemiczne, takie jak elektroliza i elektrokoagulacja, wykazują zwiększoną szybkość reakcji, szybkość i wydajność.

Wydajne wytwarzanie wodoru za pomocą sonikacji

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

 
Jeśli chodzi o elektrolizę wody, rozszczepienie wody na tlen i wodór uzyskuje 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 na katodzie)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (utlenianie na anodzie)
Reakcja ogólna: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
Często woda alkaliczna jest używana do elektrolizy w celu wytworzenia wodoru. Sole alkaliczne to rozpuszczalne wodorotlenki metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych, których typowymi przykładami są: wodorotlenek sodu (NaOH, znany również jako soda kaustyczna) i wodorotlenek potasu (KOH, znany również jako potaż kaustyczny). W przypadku elektrolizy stosuje się głównie stężenia od 20% do 40% roztworu żrącego.

 

 

Ultradźwiękowa synteza wodoru

Gdy wodór gazowy jest wytwarzany w reakcji elektrolitycznej, wodór jest syntetyzowany bezpośrednio przy potencjale rozkładu. Powierzchnia elektrod jest obszarem, w którym wodór powstaje na etapie molekularnym podczas reakcji elektrochemicznej. Cząsteczki wodoru zarodkują na powierzchni elektrody, dzięki czemu wokół katody pojawiają się pęcherzyki wodoru. Zastosowanie elektrod ultradźwiękowych poprawia impedancję aktywności i impedancję stężenia oraz przyspiesza wzrost pęcherzyków wodoru podczas elektrolizy wody. Kilka badań wykazało, że ultradźwiękowa produkcja wodoru skutecznie zwiększa wydajność wodoru.

 

Wpływ ultradźwięków 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.
 
Wpływ ultradźwięków na elektrody

• Usuwanie osadów z powierzchni elektrody
• Aktywacja powierzchni elektrody
• Transport elektrolitów do i od elektrod

 

Czyszczenie ultradźwiękowe i aktywacja powierzchni elektrod

Transfer masy jest jednym z kluczowych czynników wpływających na szybkość reakcji, szybkość i wydajność. Podczas reakcji elektrolitycznych produkt reakcji, np. osady, gromadzą się wokół, a także bezpośrednio na powierzchniach elektrod i spowalniają elektrolityczną konwersję świeżego roztworu do elektrody. Ultradźwiękowo promowane procesy elektrolityczne wykazują zwiększony transfer masy w roztworze masowym i w pobliżu powierzchni. Wibracje ultradźwiękowe i kawitacja usuwają warstwy pasywacyjne z powierzchni elektrod i utrzymują je w ten sposób trwale w pełni wydajne. Ponadto wiadomo, że sonifikacja poprawia ścieżki reakcji poprzez efekty sonochemiczne.

Niższy spadek napięcia omowego, nadpotencjał reakcji i potencjał rozkładu

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

ogniwo do elektrolizy ultradźwiękowej

W przypadku elektrolizy wody, ultradźwiękowy pobór energii, odstęp między elektrodami i stężenie elektrolitu są kluczowymi czynnikami wpływającymi na elektrolizę wody i jej wydajność.
W przypadku elektrolizy alkalicznej stosuje się ogniwo elektrolizy z wodnym roztworem żrącym zawierającym zwykle 20%-40% KOH lub NaOH. Energia elektryczna jest doprowadzana do dwóch elektrod.
Katalizatory elektrodowe mogą być stosowane w celu przyspieszenia reakcji. Na przykład elektrody Pt są korzystne, ponieważ reakcja zachodzi łatwiej.
Artykuły naukowe donoszą o 10%-25% oszczędności energii przy zastosowaniu elektrolizy wody wspomaganej ultradźwiękami.

Elektrolizery ultradźwiękowe do produkcji wodoru w skali pilotażowej i przemysłowej

Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe są przeznaczone do pracy w trybie 24/7/365 pod pełnym obciążeniem i w ciężkich procesach.
Dostarczając solidne systemy ultradźwiękowe, specjalnie zaprojektowane sonotrody (sondy), które działają jednocześnie jako elektroda i nadajnik fal ultradźwiękowych, oraz reaktory elektrolizy, Hielscher Ultrasonics spełnia specyficzne wymagania dotyczące elektrolitycznej produkcji wodoru. Wszystkie cyfrowe ultrasonografy przemysłowe serii UIP (UIP500hdT (500 W), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2kW), oraz UIP4000hdT (4kW)) to wysokowydajne urządzenia ultradźwiękowe do zastosowań związanych z elektrolizą.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: