Producția eficientă de hidrogen cu ultrasunete

Hidrogenul este un combustibil alternativ care este preferabil datorită caracterului său ecologic și emisiilor zero de dioxid de carbon. Cu toate acestea, generarea convențională de hidrogen nu este eficientă pentru producția economică în masă. Electroliza promovată ultrasonically a soluțiilor de apă și apă alcalină are ca rezultat randamente mai mari de hidrogen, rata de reacție și viteza de conversie. Electroliza asistată ultrasonically face producția de hidrogen economică și eficientă din punct de vedere energetic.
Ultrasonically promovat reacții electrochimice, ar fi electroliza și electrocoagularea arată viteza de reacție îmbunătățită, rata și randamentele.

Generarea eficientă de hidrogen cu sonicare

Electroliza apei și a soluțiilor apoase în scopul generării hidrogenului este un proces promițător pentru producerea de energie curată. Electroliza apei este un proces electrochimic în care electricitatea este aplicată pentru a împărți apa în două gaze, și anume hidrogen (H2) și oxigen (O2). Pentru a scinda H – O – H se leagă prin electroliză, un curent electric este trecut prin apă.
Pentru reacția electrolitică, se aplică o monedă electrică directă pentru a iniția o altă reacție non-spontană. Electroliza poate genera hidrogen de înaltă puritate într-un proces simplu, ecologic, ecologic, cu emisii zero de CO2, deoarece O2 este singurul produs secundar.

 
În ceea ce privește electroliza apei, divizarea apei în oxigen și hidrogen se realizează prin trecerea unui curent electric prin apă.
În apa pură la catodul încărcat negativ, are loc o reacție de reducere în care electronii (e−) din catod sunt donați cationilor de hidrogen, astfel încât se formează hidrogen gazos. La anodul încărcat pozitiv, are loc o reacție de oxidare, care generează oxigen gazos în timp ce dă electroni anodului. Aceasta înseamnă că apa reacționează la anod pentru a forma oxigen și ioni de hidrogen încărcați pozitiv (protoni). Astfel, următoarea ecuație a bilanțului energetic este finalizată:
 
2Ore⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (reducere la catod)
2Ore₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oxidare la anod)
Reacție globală: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
Adesea, apa alcalină este utilizată pentru electroliză pentru a produce hidrogen. Sărurile alcaline sunt hidroxizi solubili ai metalelor alcaline și metalelor alcalino-pământoase, dintre care exemple comune sunt: hidroxid de sodiu (NaOH, cunoscut și sub numele de sodă caustică) și hidroxid de potasiu (KOH, cunoscut și sub numele de potasă caustică). Pentru eletcroliză, se utilizează în principal concentrații de soluție caustică de 20% până la 40%.

 

 

Sinteza cu ultrasunete a hidrogenului

Când hidrogenul gazos este produs într-o reacție electrolitică, hidrogenul este sintetizat chiar la potențialul de descompunere. Suprafața electrozilor este zona în care are loc formarea hidrogenului în stadiul molecular în timpul reacției electrochimice. Moleculele de hidrogen nucleează la suprafața electrodului, astfel încât ulterior bulele de hidrogen gazos sunt prezente în jurul catodului. Utilizarea electrozilor cu ultrasunete îmbunătățește impedanțele de activitate și impedanța de concentrare și accelerează creșterea bulelor de hidrogen în timpul electrolizei apei. Mai multe studii au demonstrat că producția de hidrogen cu ultrasunete crește randamentele de hidrogen eficient.

 

Efecte ultrasonice asupra electrolizei

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.
 
Impactul ultrasonic asupra electrozilor

• Îndepărtarea depunerilor de pe suprafața electrodului
• Activarea suprafeței electrodului
• Transportul electroliților către și departe de electrozi

 

Curățarea cu ultrasunete și activarea suprafețelor electrozilor

Transferul de masă este unul dintre factorii cruciali care influențează rata de reacție, viteza și randamentul. În timpul reacțiilor electrolitice, produsul de reacție, de exemplu precipită, se acumulează atât în jurul cât și direct pe suprafețele electrodului și decelerează conversia electrolitică a soluției proaspete în electrod. Procesele electrolitice promovate ultrasonically arată un transfer de masă crescut în soluția în vrac și în apropierea suprafețelor. Vibrațiile ultrasonice și cavitația îndepărtează straturile de pasivare de pe suprafețele electrozilor și le mențin astfel permanent pe deplin eficiente. În plus, sonificarea este cunoscută pentru îmbunătățirea căilor de reacție prin efecte sonochimice.

Cădere de tensiune ohmică mai mică, suprapotențial de reacție și potențial de descompunere

Tensiunea necesară pentru ca electroliza să aibă loc este cunoscută sub numele de potențial de descompunere. Ecografia poate reduce potențialul de descompunere necesar în procesele de electroliză.

Celulă de electroliză cu ultrasunete

Pentru electroliza apei, intrarea energiei cu ultrasunete, decalajul electrodului și concentrația electroliților sunt factori cheie care influențează electroliza apei și eficiența acesteia.
Pentru o electroliză alcalină, se utilizează o celulă de electroliză cu o soluție caustică apoasă de obicei 20%-40% KOH sau NaOH. Energia electrică este aplicată la doi electrozi.
Catalizatorii electrozilor pot fi utilizați pentru a accelera viteza de reacție. De exemplu, electrozii Pt sunt favorabili, deoarece reacția are loc mai ușor.
Articole de cercetare științifică raport 10%-25% economie de energie folosind ultrasonically-promovat electroliza de apă.

Electrolizoare cu ultrasunete pentru producția de hidrogen la scară pilot și industrială

Hielscher Ultrasonics’ Procesoarele industriale cu ultrasunete sunt construite pentru funcționarea 24/7/365 sub sarcină maximă și în procese grele.
Prin furnizarea de sisteme cu ultrasunete robuste, sonotrodes special concepute (sonde), care funcționează ca electrod și transmițător de unde cu ultrasunete în același timp, și reactoare de electroliză, Hielscher Ultrasonics satisface cerințele specifice pentru producția de hidrogen electrolitic. Toate ultrasonicators industriale digitale din seria UIP (UIP500hdT (500 wați), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) și UIP4000hdT (4kW)) sunt unități cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de electroliză.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: