Produção eficiente de hidrogênio com ultrassom

O hidrogênio é um combustível alternativo preferível devido ao seu respeito ao meio ambiente e emissão zero de dióxido de carbono. No entanto, a geração convencional de hidrogênio não é eficiente para a produção em massa econômica. A eletrólise promovida por ultrassom de soluções aquosas e alcalinas resulta em maiores rendimentos de hidrogênio, taxa de reação e velocidade de conversão. A eletrólise assistida por ultrassom torna a produção de hidrogênio econômica e eficiente em termos energéticos.
Reações eletroquímicas promovidas por ultrassom, como eletrólise e eletrocoagulação, mostram melhor velocidade, taxa e rendimento de reação.

Geração eficiente de hidrogênio com sonicação

A eletrólise de água e soluções aquosas para fins de geração de hidrogênio é um processo promissor para a produção de energia limpa. A eletrólise da água é um processo eletroquímico em que a eletricidade é aplicada para dividir a água em dois gases, ou seja, hidrogênio (H2) e oxigênio (O2). Para clivar o H – O – H por eletrólise, uma corrente elétrica é executada através da água.
Para a reação eletrolítica, uma moeda elétrica direta é aplicada para iniciar uma reação não espontânea de outra forma. A eletrólise pode gerar hidrogênio de alta pureza em um processo simples, ecológico e ecológico com emissão zero de CO2, pois o O2 é o único subproduto.

 
Em relação à eletrólise da água, a divisão da água em oxigênio e hidrogênio é obtida pela passagem de uma corrente elétrica pela água.
Na água pura no cátodo carregado negativamente, ocorre uma reação de redução onde os elétrons (e−) do cátodo são doados aos cátions de hidrogênio para que o gás hidrogênio se forme. No ânodo carregado positivamente, ocorre uma reação de oxidação, que gera gás oxigênio enquanto fornece elétrons ao ânodo. Isso significa que a água reage no ânodo para formar oxigênio e íons de hidrogênio carregados positivamente (prótons). Assim, a seguinte equação de balanço de energia é concluída:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ g) (redução no cátodo)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oxidação no ânodo)
Reação geral: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ g)
 
Freqüentemente, a água alcalina é usada para a eletrólise para produzir hidrogênio. Os sais alcalinos são hidróxidos solúveis de metais alcalinos e metais alcalino-terrosos, dos quais exemplos comuns são: hidróxido de sódio (NaOH, também conhecido como soda cáustica) e hidróxido de potássio (KOH, também conhecido como potássio cáustico). Para eletcrólise, são utilizadas principalmente concentrações de solução cáustica de 20% a 40%.

 

 

Síntese ultrassônica de hidrogênio

Quando o gás hidrogênio é produzido em uma reação eletrolítica, o hidrogênio é sintetizado diretamente no potencial de decomposição. A superfície dos eletrodos é a área onde ocorre a formação de hidrogênio no estágio molecular durante a reação eletroquímica. As moléculas de hidrogênio nucleam na superfície do eletrodo, de modo que, posteriormente, bolhas de gás hidrogênio estão presentes ao redor do cátodo. O uso de eletrodos ultrassônicos melhora as impedâncias de atividade e a impedância de concentração e acelera o aumento de bolhas de hidrogênio durante a eletrólise da água. Vários estudos demonstraram que a produção ultrassônica de hidrogênio aumenta a produção de hidrogênio de forma eficiente.

 

Efeitos ultrassônicos na eletrólise

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.
 
Impacto ultrassônico nos eletrodos

• Remoção de depósitos da superfície do eletrodo
• Ativação da superfície do eletrodo
• Transporte de eletrólitos para dentro e para longe dos eletrodos

 

Limpeza ultrassônica e ativação de superfícies de eletrodos

A transferência de massa é um dos fatores cruciais que influenciam a taxa de reação, velocidade e rendimento. Durante as reações eletrolíticas, o produto da reação, por exemplo, precipita, acumula-se ao redor e diretamente nas superfícies do eletrodo e desacelera a conversão eletrolítica da solução fresca no eletrodo. Os processos eletrolíticos promovidos por ultrassom mostram um aumento da transferência de massa na solução a granel e perto das superfícies. A vibração e a cavitação ultrassônicas removem as camadas de passivação das superfícies dos eletrodos e as mantêm permanentemente totalmente eficientes. Além disso, a sonificação é conhecida por melhorar as vias de reação por efeitos sonoquímicos.

Menor queda de tensão ôhmica, sobrepotencial de reação e potencial de decomposição

A voltagem necessária para que a eletrólise ocorra é conhecida como potencial de decomposição. O ultrassom pode diminuir o potencial de decomposição necessário nos processos de eletrólise.

Célula de eletrólise ultrassônica

Para eletrólise da água, a entrada de energia ultrassônica, o intervalo do eletrodo e a concentração de eletrólitos são fatores-chave que afetam a eletrólise da água e sua eficiência.
Para uma eletrólise alcalina, uma célula de eletrólise com uma solução cáustica aquosa de geralmente 20% a 40% de KOH ou NaOH é usada. A energia elétrica é aplicada a dois eletrodos.
Catalisadores de eletrodos podem ser usados para acelerar a velocidade de reação. Por exemplo, os eletrodos de Pt são favoráveis, pois a reação ocorre mais facilmente.
Artigos de pesquisa científica relatam economia de energia de 10% a 25% usando a eletrólise da água promovida por ultrassom.

Eletrolisadores ultrassônicos para produção de hidrogênio em escala piloto e industrial

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A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: