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.

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 divisão da água em oxigénio e hidrogénio é conseguida através da passagem de uma corrente eléctrica através da 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 excitada por ultra-sons é também conhecida como sono-eletrólise. Vários factores ultra-sónicos de natureza sonomecânica e sonoquímica influenciam e promovem reacções electroquímicas. Estes factores de influência da eletrólise resultam da cavitação e vibração induzidas por ultra-sons e incluem fluxo acústico, micro-turbulências, microjactos, ondas de choque, bem como efeitos sonoquímicos. A cavitação ultra-sónica/acústica ocorre quando ondas de ultra-sons de alta intensidade são acopladas ao líquido. O fenómeno da cavitação é caracterizado pelo crescimento e colapso das chamadas bolhas de cavitação. A implosão da bolha é marcada por forças super-intensas, que ocorrem localmente. Estas forças incluem um aquecimento local intenso até 5000K, pressões elevadas até 1000 atm e taxas de aquecimento e arrefecimento enormes (>100k/seg) e provocam uma interação única entre matéria e energia. Por exemplo, essas forças cavitacionais têm impacto nas ligações de hidrogénio na água e facilitam a divisão dos aglomerados de água, o que subsequentemente resulta num consumo reduzido 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 factores cruciais que influenciam a taxa de reação, a velocidade e o rendimento. Durante as reacções electrolíticas, o produto da reação, por exemplo, precipitados, acumula-se em torno de, bem como diretamente sobre as superfícies do elétrodo e desacelera a conversão electrolítica de solução fresca para o elétrodo. Os processos electrolíticos promovidos por ultra-sons mostram um aumento da transferência de massa na solução a granel e perto das superfícies. A vibração e a cavitação ultra-sónicas removem as camadas de passivação das superfícies dos eléctrodos e mantêm-nos assim permanentemente totalmente eficientes. Além disso, a sonificação é conhecido para melhorar as vias de reação por 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

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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.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: