Hielscher tecnologia de ultra-som

Produção eficiente de hidrogênio com ultrassônicos

O hidrogênio é um combustível alternativo que é preferível devido à sua simpatia ambiental e à emissão zero de dióxido de carbono. No entanto, a geração convencional de hidrogênio não é eficiente para a produção econômica de massa. A eletrolise ultrasonicamente promovida de soluções de água e água alcalina resulta em maior rendimento de hidrogênio, taxa de reação e velocidade de conversão. A eletrólise ultrasonicamente assistida torna a produção de hidrogênio econômica e eficiente em termos energéticos.
Reações eletroquímicas ultrasonicamente promovidas, como eletrólise e eletrocoagulação, mostram melhor velocidade de reação, taxa e rendimentos.

Geração eficiente de hidrogênio com sonicação

A eletrólise da 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 onde a eletricidade é aplicada para dividir a água em dois gases, ou seja, hidrogênio (H2) e oxigênio (O2). A fim de apertar o H – O – Ligações H por eletrólise, uma corrente elétrica é executada através da água.
Para a reação eletrolítica, uma moeda elétrica direta (DC) é aplicada para iniciar uma reação não espontânea de outro sábio. A eletrólise pode gerar hidrogênio de alta pureza em um processo verde simples e ecológico com um CO zero2 emissão como O2 é o único subproduto.

Ultrasonic electrolysis intensifies hydrogen production.

Processadores ultrassônicos 2x UIP2000hdT com sondas, que atuam como eletrodos, ou seja, cátodo e ânodo. O campo ultrassônico intensifica a síntese eletrólítica do hidrogênio a partir da água ou soluções aquosas.

Em relação à eletrólise da água, a divisão da água em oxigênio e hidrogênio é alcançada através da passagem de uma corrente elétrica através da água.
Em água pura no cátodo carregado negativamente, ocorre uma reação de redução onde elétrons (e−) do cátodo são doados a cáações de hidrogênio para que o gás hidrogênio se forme. No ânodo carregado positivamente, ocorre uma reação de oxidação, que gera gás oxigênio enquanto dá elétrons ao ânodo. Isso significa que a água reage no ânodo para formar oxigênio e íons de hidrogênio carregados positivamente (prótons). Assim, completa-se a equação do equilíbrio energético a seguir:

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)

Muitas vezes, a água alcalina é usada para a eletrólise, a fim de produzir hidrogênio. Os sais alcalinos são hidróxidos solúveis de metais alcalinos e metais alcalinos, 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 eletcrolise, são utilizadas principalmente concentrações de 20% a 40% de solução cáustica.

The ultrasonic probe of the high-performance ultrasonicator UIP2000hdT functions as anode. Due to the ultrasonic field applied, the electrolysis of hydrogen is promoted.

Sonda ultrassônica do UIP2000hdT funciona como ânodo. As ondas ultrassônicas aplicadas intensificam a síntese eletrólítica do hidrogênio.

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Síntese Ultrassônica do Hidrogênio

Quando o gás hidrogênio é produzido em uma reação eletrolítica, o hidrogênio é sintetizado bem no potencial de decomposição. A superfície dos eletrodos é a área, onde a formação de hidrogênio ocorre 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 da concentração e acelera o aumento das bolhas de hidrogênio durante a eletrólise da água. Vários estudos demonstraram que a produção de hidrogênio ultrassônico aumenta o rendimento do hidrogênio de forma eficiente.

Benefícios da Ultrassônica na Eletrólise do Hidrogênio

  • Maiores rendimentos de hidrogênio
  • Melhor eficiência energética

como o ultrassom resulta em:

  • aumento da transferência de massa
  • Redução acelerada da impedância acumulada
  • Queda de tensão ohmic reduzida
  • Reação reduzida sobrepotencial
  • Potencial de decomposição reduzido
  • Desgaseamento de água/ solução aquosa
  • Limpeza de catalisadores de eletrodos

Efeitos ultrassônicos na Eletrólise

A eletrólise ultrasonicamente excitada também é conhecida como sono-eletrólise. Vários fatores ultrassônicos da natureza sonomecânica e sonoquímica influenciam e promovem reações eletroquímicas. Esses fatores que influenciam a eletrólise são resultados de cavitação e vibração induzidos por ultrassom e incluem streaming acústico, micro-turbulências, microjatos, ondas de choque, bem como efeitos sonológicos. A cavitação ultrassônica/acústica ocorre, quando ondas de ultrassom de alta intensidade são acoplidas em líquido. O fenômeno da cavitação é caracterizado pelo crescimento e colapso das chamadas bolhas de cavitação. A implosão da bolha é marcada por forças super intensas e localmente ocorrendo. Essas forças incluem um intenso aquecimento local de até 5000K, altas pressões de até 1000 atm, e enormes taxas de aquecimento e resfriamento (>100k/s) e provocam uma interação única entre matéria e energia. Por exemplo, essas forças cavitacionais eimpactam as ligações de hidrogênio na água e facilitam a divisão de aglomerados de água, o que resulta posteriormente em um consumo de energia reduzido para a eletrólise.

Impacto ultrassônico nos Eletrodos

  • Removendo depósitos da superfície do eletrodo
  • Ativação da superfície do eletrodo
  • Transporte de eletrólitos em direção e longe de eletrodos

Limpeza e ativação de superfícies

A transferência em massa é um dos fatores cruciais que influenciam a taxa de reação, velocidade e rendimento. Durante as reações eletrolíticas, o produto de reação, por exemplo, precipita, acumula-se ao redor, bem como diretamente nas superfícies do eletrodo e desacelera a conversão eletrolítica de solução fresca para o eletrodo. Processos eletrolíticos ultrasonicamente promovidos mostram uma maior transferência de massa na solução a granel e perto das superfícies. A vibração ultrassônica e a cavitação removem camadas de passivação das superfícies do eletrodo e as mantêm assim permanentemente totalmente eficientes. Além disso, a sonificação é conhecida por melhorar as vias de reação por efeitos sonológicos.

Menor queda de tensão ohmic, excesso de reação e potencial de decomposição

A tensão 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 Elelise Ultrassônica

Para eletrólise de água, entrada de energia ultrassônica, gap de eletrodos e 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%-40% 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, eletrodos pt são favoráveis à medida que a reação ocorre mais facilmente.
Artigos de pesquisa científica relatam economia de energia de 10%-25% usando a eletrólise ultrasonicamente promovida da água.

Eletrólitos ultrassônicos para produção de hidrogênio em escala piloto e industrial

Hielscher Ultrasonics’ os processadores ultrassônicos industriais são construídos para a operação 24/7/365 sob carga total e em processos pesados.
Ao fornecer sistemas ultrassônicos robustos, sonotrodes especiais projetados (sondas), que funcionam como transmissor de ondas de eletrodo e ultrassom ao mesmo tempo, e reatores de eletrólise, hielscher ultrasonics atende aos requisitos específicos para a produção de hidrogênio eletrolítico. Todos os ultrassononicadores industriais digitais da série UIP (UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1.5kW), UIP2000hdT (2kW), e UIP4000hdT (4kW)) são unidades ultrassônicas de alto desempenho para aplicações de eletrólise.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Volume batch Quociente de vazão Dispositivos Recomendados
0.02 a 5L 0.05 a 1L/min UIP500hdT
0.05 a 10L 0.1 a 2L/min UIP1000hdT
0.07 a 15L 0.15 a 3L/min UIP1500hdT
0.1 a 20L 00,2 a 4 L / min UIP2000hdT
10 a 100L 2 de 10L / min UIP4000hdT

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratoria, piloto e industrial.

Literatura / Referências



Fatos, vale a pena conhecer

O que é hidrogênio?

Hidrogênio é o elemento químico com o símbolo H e número atômico 1. Com um peso atômico padrão de 1.008, o hidrogênio é o elemento mais leve na tabela periódica. O hidrogênio é a substância química mais abundante no universo, constituindo cerca de 75% de toda a massa bariônica. H2 é um gás que se forma quando dois átomos de hidrogênio se unem e se tornam uma molécula de hidrogênio. H2 também é chamado de hidrogênio molecular e é uma molécula diatômica homonuclear. Consiste de dois prótons e dois elétrons. Com uma carga neutra, o hidrogênio molecular é estável e, portanto, a forma mais comum de hidrogênio.

Quando o hidrogênio é produzido em escala industrial, a reforma do gás natural a vapor é a forma de produção mais utilizada. Um método alternativo é a eletrólise da água. A maioria do hidrogênio é produzida perto do local de seu último uso, por exemplo, perto de instalações de processamento de combustíveis fósseis (por exemplo, hidrocracking) e produtores de fertilizantes à base de amônia.