Эффективное производство водорода с помощью ультразвука
Водород является альтернативным топливом, которое предпочтительнее из-за его экологичности и нулевого выброса углекислого газа. Однако традиционная генерация водорода неэффективна для экономичного массового производства. Ультразвуковой электролиз воды и щелочных водных растворов приводит к более высокому выходу водорода, скорости реакции и скорости превращения. Ультразвуковой электролиз делает производство водорода экономичным и энергоэффективным.
Электрохимические реакции, протекающие под ультразвуковым контролем, такие как электролиз и электрокоагуляция, демонстрируют повышенную скорость, скорость и выход реакции.
Эффективная генерация водорода с помощью ультразвука
Электролиз воды и водных растворов с целью получения водорода является перспективным процессом для получения чистой энергии. Электролиз воды — это электрохимический процесс, в котором электричество расщепляется на два газа, а именно водород (H2) и кислород (O2). Для того, чтобы расщепить букву H – O – H связывается путем электролиза, через воду пропускается электрический ток.
Для электролитической реакции применяется прямая электрическая валюта, чтобы инициировать неспонтанную реакцию в другом направлении. Электролиз может производить водород высокой чистоты в простом, экологически чистом, экологически чистом процессе с нулевым выбросом CO2, поскольку O2 является единственным побочным продуктом.
2х ультразвуковых процессора модели UIP2000hdT с преобразователями, которые выполняют роль электродов, т.е. катода и анода. Ультразвуковая вибрация и кавитация способствуют электрохимическому производству водорода.
Что касается электролиза воды, то расщепление воды на кислород и водород достигается путем пропускания через воду электрического тока.
В чистой воде на отрицательно заряженном катоде происходит реакция восстановления, в которой электроны (e−) из катода отдаются катионам водорода, так что образуется газообразный водород. На положительно заряженном аноде происходит реакция окисления, в результате которой образуется газообразный кислород и в то же время электроны поступают в анод. Это означает, что вода вступает в реакцию на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов). Таким образом, завершается следующее уравнение энергетического баланса:
2Ч+ (АК) + 2E– → Ч2 g) (восстановление на катоде)
2Ч2О (л) → О2 (г) + 4 ч+ (АК) + 4E– (окисление на аноде)
Общая реакция: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (ж)
Часто щелочная вода используется для электролиза с целью получения водорода. Щелочные соли представляют собой растворимые гидроксиды щелочных металлов и щелочноземельных металлов, распространенными примерами которых являются: гидроксид натрия (NaOH, также известный как каустическая сода) и гидроксид калия (KOH, также известный как едкий поташ). Для элеткролиза используют в основном концентрации от 20% до 40% едкого раствора.
Соноэлектрохимическое получение водорода на ультразвуковом катоде.
Ультразвуковой синтез водорода
Когда газообразный водород образуется в результате электролитической реакции, водород синтезируется прямо при потенциале разложения. Поверхность электродов – это область, где происходит образование водорода на молекулярной стадии в ходе электрохимической реакции. Молекулы водорода зарождаются на поверхности электрода, так что впоследствии вокруг катода присутствуют пузырьки газообразного водорода. Использование ультразвуковых электродов улучшает импедансы активности и импеданс концентрации, а также ускоряет подъем пузырьков водорода при электролизе воды. Несколько исследований показали, что ультразвуковое производство водорода эффективно увеличивает выход водорода.
Преимущества ультразвука при электролизе водорода
- Более высокий выход водорода
- Повышенная энергоэффективность
В результате ультразвукового исследования получаются:
- Повышенный массоперенос
- Ускоренное снижение накопленного импеданса
- Уменьшенное падение омического напряжения
- Снижение избыточного потенциала реакции
- Снижение потенциала разложения
- Дегазация воды/водного раствора
- Очистка электродных катализаторов
Ультразвуковое воздействие на электролиз
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.
Ультразвуковое воздействие на электроды
- Удаление отложений с поверхности электрода
- Активация поверхности электрода
- Транспортировка электролитов к электродам и от них
Ультразвуковая очистка и активация электродных поверхностей
Массоперенос является одним из важнейших факторов, влияющих на скорость реакции, скорость и выход. Во время электролитических реакций продукт реакции, например, осадок, накапливается как вокруг, так и непосредственно на поверхности электродов и замедляет электролитическое превращение свежего раствора в электрод. Электролитические процессы под ультразвуковым контролем демонстрируют повышенный массоперенос в объемном растворе и вблизи поверхностей. Ультразвуковая вибрация и кавитация удаляют пассивационные слои с поверхностей электродов и тем самым постоянно сохраняют их полную работоспособность. Кроме того, известно, что сонификация усиливает пути реакции за счет сонохимических эффектов.
Снижение падения омического напряжения, перенапряжения реакции и потенциала разложения
Напряжение, необходимое для электролиза, известно как потенциал разложения. Ультразвук может снизить необходимый потенциал разложения в процессах электролиза.
Ультразвуковая электролизная ячейка
При электролизе воды подвод ультразвуковой энергии, зазор между электродами и концентрация электролита являются ключевыми факторами, влияющими на электролиз воды и его эффективность.
Для щелочного электролиза используется электролизная ячейка с водным раствором едкого вещества, обычно 20–40% KOH или NaOH. Электрическая энергия подается на два электрода.
Для ускорения скорости реакции можно использовать электродные катализаторы. Например, платиновые электроды благоприятны, так как реакция протекает легче.
В научных исследованиях сообщается об экономии энергии на 10-25% при использовании электролиза воды, продвигаемого ультразвуком.
Ультразвуковые электролизеры для производства водорода в пилотных и промышленных масштабах
Hielscher Ultrasonics’ Промышленные ультразвуковые процессоры предназначены для работы в режиме 24/7/365 при полной нагрузке и в тяжелых условиях.
Поставляя надежные ультразвуковые системы, специально разработанные сонотроды (зонды), которые одновременно функционируют как электрод и передатчик ультразвуковой волны, а также электролизные реакторы, Hielscher Ultrasonics удовлетворяет специфические требования к электролитическому производству водорода. Все цифровые промышленные ультразвуковые аппараты серии UIP (УИП500HDT (500 Вт), УИП1000HDT (1 кВт), УИП1500HDT (1,5 кВт), УИП2000HDT (2 кВт) и УИП4000HDT (4 кВт)) — это высокопроизводительные ультразвуковые установки для электролиза.
Ультразвуковой преобразователь UIP2000hdT Функционирует как анод. Применяемые ультразвуковые волны интенсифицируют электролитический синтез водорода.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| 0от 02 до 5 л | 0.05 до 1 л/мин | УИП500HDT |
| 0.05 до 10 л | 0от 1 до 2 л/мин | УИП1000HDT |
| 0.07 до 15 л | 0от 15 до 3 л/мин | УИП1500HDT |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.
Факты, которые стоит знать
Что такое водород?
Водород — это химический элемент с символом H и атомным номером 1. При стандартном атомном весе 1,008 водород является самым легким элементом в периодической таблице. Водород является самым распространенным химическим веществом во Вселенной, составляя примерно 75% всей барионной массы. H2 — это газ, который образуется, когда два атома водорода соединяются вместе и становятся молекулой водорода. H2 также называется молекулярным водородом и представляет собой диатомную, гомоядерную молекулу. Он состоит из двух протонов и двух электронов. Обладая нейтральным зарядом, молекулярный водород стабилен и тем самым является наиболее распространенной формой водорода.
Когда водород производится в промышленных масштабах, наиболее широко используемой формой производства является паровой риформинг природного газа. Альтернативным методом является электролиз воды. Большая часть водорода производится вблизи места его последнего использования, например, вблизи объектов по переработке ископаемого топлива (например, гидрокрекинга) и производителей удобрений на основе аммиака.
Литература / Литература
- Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
- Islam Md H., Burheim Odne S., Pollet Bruno G. (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry 51, 2019. 533–555.
- Bruno G. Pollet; Faranak Foroughi; Alaa Y. Faid; David R. Emberson; Md.H. Islam (2020): Does power ultrasound (26 kHz) affect the hydrogen evolution reaction (HER) on Pt polycrystalline electrode in a mild acidic electrolyte? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 69, December 2020.
- Cherepanov, Pavel; Melnyk, Inga; Skorb, Ekaterina V.; Fratzl, P.; Zolotoyabko, E.; Dubrovinskaia, Natalia; Dubrovinsky, Leonid Avadhut, Yamini S.; Senker, Jürgen; Leppert, Linn; Kümmel, Stephan; Andreeva, Daria V. (2015): The use of ultrasonic cavitation for near-surface structuring of robust and low-cost AlNi catalysts for hydrogen production. Green Chemistry Issue 5, 2015. 745-2749.