Produção eficiente de hidrogénio com ultrassons

O hidrogénio é um combustível alternativo preferível devido ao seu caráter ecológico e à ausência de emissões de dióxido de carbono. No entanto, a geração convencional de hidrogénio não é eficiente para uma produção em massa económica. A eletrólise da água e de soluções aquosas alcalinas promovida por ultrassons resulta em rendimentos de hidrogénio mais elevados, maior taxa de reação e maior velocidade de conversão. A eletrólise assistida por ultrassons torna a produção de hidrogénio económica e energeticamente eficiente.
As reações eletroquímicas promovidas por ultrassons, como a eletrólise e a eletrocoagulação, apresentam melhorias na velocidade e na taxa de reação, bem como nos rendimentos.

Acelere a produção de hidrogénio com o poder dos ultrassons e da eletroquímica

Combine a eficiência da cavitação ultrassónica com a precisão das reações eletroquímicas para obter rendimentos de hidrogénio mais elevados e um menor consumo de energia. Os sistemas sonoeletroquímicos avançados da Hielscher intensificam a transferência de massa, melhoram a atividade dos catalisadores e otimizam as superfícies dos elétrodos para uma geração de H₂ consistente e de elevado desempenho.
Principais vantagens:

• Transferência de massa intensificada: As ondas ultrassónicas reduzem a espessura da camada de difusão, garantindo um fornecimento eficiente de reagentes aos elétrodos.
• Maior estabilidade dos catalisadores: A sonicação impede a aglomeração de nanopartículas, mantendo uma elevada atividade catalítica ao longo do tempo.
• Eficiência energética: Otimize a energia fornecida aproveitando a micromistura induzida pela cavitação e a limpeza das superfícies.

Geração eficiente de hidrogénio com sonicação

A eletrólise da água e de soluções aquosas para gerar hidrogénio é um processo promissor para a produção de energia limpa. A eletrólise da água é um processo eletroquímico em que se aplica eletricidade para decompor a água em dois gases, nomeadamente hidrogénio (H₂) e oxigénio (O₂). Para quebrar as ligações H – O – H por eletrólise, faz-se passar uma corrente elétrica através da água.
Para a reação eletrolítica, aplica-se uma corrente elétrica contínua para iniciar uma reação que, de outro modo, não seria espontânea. A eletrólise pode gerar hidrogénio de elevada pureza num processo simples, ecológico e verde, sem emissões de CO₂, uma vez que o O₂ é o único subproduto.
Na eletrólise da água, a decomposição da água em oxigénio e hidrogénio é conseguida fazendo passar uma corrente elétrica através da água.
Em água pura, no cátodo com carga negativa, ocorre uma reação de redução em que os eletrões (e−) do cátodo são cedidos aos catiões de hidrogénio, formando-se hidrogénio gasoso. No ânodo com carga positiva, ocorre uma reação de oxidação que gera oxigénio gasoso e cede eletrões ao ânodo. Isto significa que a água reage no ânodo para formar oxigénio e iões de hidrogénio com carga positiva (protões). Completa-se assim a seguinte equação de balanço energético:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (redução no cátodo)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oxidação no ânodo)
Reação global: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
Utiliza-se frequentemente água alcalina na eletrólise para produzir hidrogénio. Os sais alcalinos são hidróxidos solúveis de metais alcalinos e alcalinoterrosos, dos quais são exemplos comuns o hidróxido de sódio (NaOH, também conhecido como soda cáustica) e o hidróxido de potássio (KOH, também conhecido como potassa cáustica). Para a eletrólise, utilizam-se principalmente soluções cáusticas com concentrações de 20% a 40%.

Síntese ultrassónica de hidrogénio

Quando se produz hidrogénio gasoso numa reação eletrolítica, o hidrogénio é sintetizado precisamente no potencial de decomposição. A superfície dos elétrodos é a área onde ocorre a formação de hidrogénio a nível molecular durante a reação eletroquímica. As moléculas de hidrogénio nucleiam na superfície do elétrodo, pelo que, subsequentemente, se formam bolhas de hidrogénio gasoso em torno do cátodo. A utilização de elétrodos ultrassónicos melhora as impedâncias de atividade e a impedância de concentração e acelera a subida das bolhas de hidrogénio durante a eletrólise da água. Vários estudos demonstraram que a produção ultrassónica de hidrogénio aumenta eficientemente os rendimentos de hidrogénio.

Efeitos dos ultrassons na eletrólise

A eletrólise excitada por ultrassons é também conhecida como sonoeletrólise. Vários fatores ultrassónicos de natureza sonomecânica e sonoquímica influenciam e promovem as reações eletroquímicas.

1. As ondas ultrassónicas criam bolhas
2. As bolhas colapsam
3. O calor extremo decompõe as moléculas de água

Os fatores que influenciam a eletrólise resultam da cavitação e da vibração induzidas por ultrassons e incluem escoamento acústico, microturbulências, microjatos, ondas de choque e efeitos sonoquímicos. A cavitação ultrassónica / acústica ocorre quando ondas ultrassónicas de elevada intensidade são acopladas a um líquido. O fenómeno de cavitação caracteriza-se pelo crescimento e colapso das chamadas bolhas de cavitação. A implosão das bolhas caracteriza-se por forças extremamente intensas que ocorrem localmente. Estas forças incluem um aquecimento local intenso de até 5000K, pressões elevadas de até 1000 atm e taxas de aquecimento e arrefecimento enormes (>100k/sec), provocando uma interação única entre matéria e energia. Por exemplo, estas forças de cavitação afetam as ligações de hidrogénio na água e facilitam a dissociação dos agregados de água, o que resulta subsequentemente numa redução do consumo de energia para a eletrólise.
 
Impacto dos ultrassons nos elétrodos

• Remoção de depósitos da superfície do elétrodo
• 
Ativação da superfície do elétrodo
• Transporte de eletrólitos em direção aos elétrodos e para longe destes

Limpeza e ativação ultrassónicas das superfícies dos elétrodos

A transferência de massa é um dos fatores cruciais que influenciam a taxa de reação, a velocidade e o rendimento. Durante as reações eletrolíticas, os produtos da reação, por exemplo, os precipitados, acumulam-se em torno das superfícies dos elétrodos e diretamente sobre estas, abrandando a conversão eletrolítica da solução fresca no elétrodo. Os processos eletrolíticos promovidos por ultrassons apresentam uma transferência de massa acrescida no seio da solução e junto às superfícies. A vibração ultrassónica e a cavitação removem as camadas de passivação das superfícies dos elétrodos, mantendo-os assim permanentemente em plena eficiência. Além disso, sabe-se que a sonicação melhora as vias de reação através de efeitos sonoquímicos.

Menor queda de tensão óhmica, sobrepotencial da reação e potencial de decomposição

A tensão necessária para que a eletrólise ocorra é conhecida como potencial de decomposição. Os ultrassons podem reduzir o potencial de decomposição necessário nos processos de eletrólise.

Célula de eletrólise ultrassónica

Na eletrólise da água, a energia ultrassónica fornecida, a distância entre os elétrodos e a concentração do eletrólito são fatores fundamentais que afetam a eletrólise da água e a sua eficiência.
Para a eletrólise alcalina, utiliza-se uma célula de eletrólise com uma solução aquosa cáustica, geralmente de 20%–40% de KOH ou NaOH. Aplica-se energia elétrica a dois elétrodos.
Podem utilizar-se catalisadores nos elétrodos para acelerar a velocidade da reação. Por exemplo, os elétrodos de Pt são favoráveis, pois a reação ocorre mais facilmente.
Artigos de investigação científica referem uma poupança de energia de 10%–25% com a eletrólise da água promovida por ultrassons.

Eletrolisadores ultrassónicos para a produção de hidrogénio à escala piloto e industrial

Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics são construídos para funcionar 24/7/365 em plena carga e em processos exigentes.
Ao fornecer sistemas ultrassónicos robustos, sonotrodos (sondas) especialmente concebidos, que funcionam simultaneamente como elétrodo e transmissor de ondas ultrassónicas, e reatores de eletrólise, a Hielscher Ultrasonics satisfaz os requisitos específicos da produção eletrolítica de hidrogénio. Todos os sonicadores industriais digitais da série UIP (UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) e UIP4000hdT (4kW)) são unidades ultrassónicas de elevado desempenho para aplicações de eletrólise.

A tabela abaixo apresenta uma visão geral dos nossos sonicadores e sonoelétrodos para a geração eletroquímica de H₂ – do laboratório de investigação à produção: