Produção eficiente de hidrogénio com ultra-sons

O hidrogénio é um combustível alternativo preferível devido à sua compatibilidade com o ambiente e à ausência de emissões de dióxido de carbono. No entanto, a produção convencional de hidrogénio não é eficiente para uma produção económica em massa. A eletrólise de água e de soluções de água alcalina promovida por ultra-sons resulta em maiores rendimentos de hidrogénio, taxa de reação e velocidade de conversão. A eletrólise assistida por ultra-sons torna a produção de hidrogénio económica e eficiente em termos energéticos.
As reacções electroquímicas promovidas por ultra-sons, tais como a eletrólise e a eletrocoagulação, apresentam uma velocidade de reação, uma taxa e rendimentos melhorados.

Acelerar a produção de hidrogénio com o poder do ultrassom e da eletroquímica

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

• Transferência de massa melhorada: As ondas ultrassónicas reduzem a espessura da camada de difusão, garantindo um fornecimento eficiente dos reagentes aos elétrodos.
• Maior estabilidade do catalisador: A sonicação impede a aglomeração das nanopartículas, mantendo uma elevada atividade catalítica ao longo do tempo.
• Eficiência energética: Otimizar o consumo de energia, tirando partido da micromistura induzida pela cavitação e da limpeza da superfície.

Geração eficiente de hidrogénio com sonicação

A eletrólise da água e de soluções aquosas para efeitos de produção de hidrogénio 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, nomeadamente o hidrogénio (H2) e o oxigénio (O2). Para separar o H – O – H ligações por eletrólise, uma corrente eléctrica é passada através da água.
Para a reação electrolítica, é aplicada uma corrente eléctrica direta para iniciar uma reação não espontânea. A eletrólise pode gerar hidrogénio de elevada pureza num processo simples, ecológico e verde, com uma emissão zero de CO2, uma vez que o O2 é o único subproduto.
No que diz respeito à eletrólise da água, a decomposição da água em oxigénio e hidrogénio é conseguida através da passagem de uma corrente elétrica pela água.
Na água pura, no cátodo carregado negativamente, ocorre uma reação de redução em que os electrões (e-) do cátodo são doados a catiões de hidrogénio, formando-se assim gás hidrogénio. No ânodo, carregado positivamente, tem lugar uma reação de oxidação, que gera gás oxigénio, dando simultaneamente electrões ao ânodo. Isto significa que a água reage no ânodo para formar oxigénio e iões de hidrogénio com carga positiva (protões). Deste modo, completa-se 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)
 
Frequentemente, a água alcalina é utilizada para a eletrólise, a fim de produzir hidrogénio. Os sais alcalinos são hidróxidos solúveis de metais alcalinos e alcalino-terrosos, dos quais exemplos comuns são: Hidróxido de sódio (NaOH, também conhecido como soda cáustica) e hidróxido de potássio (KOH, também conhecido como potassa cáustica). Para a eletrólise, utilizam-se principalmente concentrações de 20% a 40% de solução cáustica.

Síntese ultra-sónica de hidrogénio

Quando o gás hidrogénio é produzido numa reação electrolítica, o hidrogénio é sintetizado diretamente no potencial de decomposição. A superfície dos eléctrodos é a área onde ocorre a formação de hidrogénio na fase molecular durante a reação eletroquímica. As moléculas de hidrogénio nucleiam-se na superfície do elétrodo, de modo que, subsequentemente, estão presentes bolhas de gás de hidrogénio em torno do cátodo. A utilização de eléctrodos ultra-sónicos melhora as impedâncias de atividade e de concentração e acelera a formação de bolhas de hidrogénio durante a eletrólise da água. Vários estudos demonstraram que a produção de hidrogénio por ultra-sons aumenta eficazmente o rendimento de hidrogénio.

Efeitos ultra-sónicos na eletrólise

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

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

Os fatores que influenciam a eletrólise resultam da cavitação e da vibração induzidas pelo ultrassom e incluem o fluxo acústico, as microturbulências, os microjatos, as ondas de choque, bem como os efeitos sonoquímicos. A cavitação ultrassónica/acústica ocorre quando ondas ultrassónicas de alta intensidade são acopladas a um líquido. O fenómeno da cavitação caracteriza-se pelo crescimento e colapso das chamadas bolhas de cavitação. A implosão das bolhas é marcada por forças superintensas que ocorrem localmente. Estas forças incluem um aquecimento local intenso de até 5000 K, pressões elevadas de até 1000 atm e taxas de aquecimento e arrefecimento enormes (>100 k/s), provocando uma interação única entre a matéria e a energia. Por exemplo, essas forças de cavitação afetam as ligações de hidrogénio na água e facilitam a separação dos aglomerados de água, o que, subsequentemente, resulta numa redução do consumo de energia para a eletrólise.
 
Impacto ultrassónico nos eléctrodos

• Remoção de depósitos da superfície do elétrodo
• Ativação da superfície do elétrodo
• Transporte de electrólitos para os eléctrodos e para fora deles

Limpeza ultra-sónica e ativação de superfícies de eléctrodos

A transferência de massa é um dos fatores cruciais que influenciam a taxa de reação, a velocidade e o rendimento. Durante as reações eletrolíticas, o produto da reação, por exemplo, os precipitados, acumula-se tanto à volta como diretamente nas superfícies dos elétrodos, retardando a conversão eletrolítica da solução nova para o elétrodo. Os processos eletrolíticos promovidos por ultrassons apresentam uma maior transferência de massa na solução em massa e junto às superfícies. A vibração ultrassónica e a cavitação removem as camadas de passivação das superfícies dos elétrodos, mantendo-as assim permanentemente a funcionar com a máxima eficiência. Além disso, sabe-se que a sonificação melhora as vias de reação através de efeitos sonoquímicos.

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

A tensão necessária para que a eletrólise ocorra é conhecida como potencial de decomposição. Os ultra-sons podem baixar o potencial de decomposição necessário nos processos de eletrólise.

célula de eletrólise ultra-sónica

Para a eletrólise da água, a entrada de energia ultra-sónica, a abertura do elétrodo e a concentração do eletrólito são factores-chave que têm impacto na eletrólise da água e na sua eficiência.
Para uma eletrólise alcalina, é utilizada uma célula de eletrólise com uma solução cáustica aquosa de, normalmente, 20%-40% de KOH ou NaOH. A energia eléctrica é aplicada a dois eléctrodos.
Os catalisadores de eléctrodos podem ser utilizados para acelerar a velocidade da reação. Por exemplo, os eléctrodos de Pt são favoráveis, uma vez que a reação ocorre mais facilmente.
Artigos de investigação científica referem uma poupança de energia de 10%-25% com a eletrólise da água promovida por ultra-sons.

Electrolisadores ultra-sónicos para a produção de hidrogénio à escala piloto e industrial

Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos industriais foram concebidos para funcionar 24 horas por dia, 7 dias por semana, 365 dias por ano, sob carga total e em processos pesados.
Ao fornecer sistemas de ultra-sons robustos, sonotrodos (sondas) especialmente concebidos, que funcionam como elétrodo e transmissor de ondas de ultra-sons ao mesmo tempo, e reactores de eletrólise, a Hielscher Ultrasonics satisfaz os requisitos específicos para a produção de hidrogénio eletrolítico. Todos os ultrasonicadores industriais digitais da série UIP (UIP500hdt (500 watts), UIP1000hdt (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), e UIP4000hdt (4kW)) são unidades ultra-sónicas 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: