Эффективное производство водорода с помощью ультразвука
Водород – альтернативное топливо, предпочтительное благодаря своей экологичности и нулевым выбросам углекислого газа. Однако традиционное получение водорода недостаточно эффективно для экономически выгодного массового производства. Электролиз воды и водных растворов щелочей, интенсифицированный ультразвуком, обеспечивает более высокий выход водорода, более высокую скорость реакции и более быстрое превращение. Электролиз с применением ультразвука делает производство водорода экономичным и энергоэффективным.
Электрохимические реакции, интенсифицированные ультразвуком, такие как электролиз и электрокоагуляция, демонстрируют улучшение быстроты и скорости реакции, а также выхода продуктов.
Ускорьте производство водорода с помощью ультразвука и электрохимии
Объедините эффективность ультразвуковой кавитации с точностью электрохимических реакций, чтобы повысить выход водорода и снизить энергопотребление. Передовые соноэлектрохимические системы Hielscher усиливают массоперенос, повышают активность катализаторов и оптимизируют поверхности электродов для стабильного, высокопроизводительного получения H₂.
Основные преимущества:
- Усиленный массоперенос: Ультразвуковые волны уменьшают толщину диффузионного слоя, обеспечивая эффективную подачу реагентов к электродам.
- Повышенная стабильность катализатора: Обработка ультразвуком предотвращает агломерацию наночастиц, поддерживая высокую каталитическую активность с течением времени.
- Энергоэффективность: Оптимизируйте подвод энергии благодаря микроперемешиванию и очистке поверхностей, вызванным кавитацией.
Обеспечьте стабильную кавитацию высокой интенсивности с помощью надежных ультразвуковых процессоров, предназначенных для непрерывного производства H₂ в режиме 24/7. Получите подробную информацию о наших ультразвуковых решениях высокой мощности и обсудите их с нашими специалистами по обработке ультразвуком!
2 ультразвуковых процессора модели UIP2000hdT с зондами, которые служат электродами, то есть катодом и анодом. Ультразвуковые колебания и кавитация способствуют электрохимическому производству водорода.
Эффективное получение водорода с помощью обработки ультразвуком
Электролиз воды и водных растворов для получения водорода – перспективный процесс производства чистой энергии. Электролиз воды – это электрохимический процесс, в котором электричество используется для расщепления воды на два газа: водород (H₂) и кислород (O₂). Для разрыва связей H – O – H путем электролиза через воду пропускают электрический ток.
Для электролитической реакции подают постоянный электрический ток, чтобы инициировать реакцию, которая иначе не протекает самопроизвольно. Электролиз позволяет получать водород высокой чистоты в простом, экологичном, «зеленом» процессе с нулевыми выбросами CO₂, поскольку O₂ является единственным побочным продуктом.
При электролизе воды ее расщепление на кислород и водород достигается путем пропускания электрического тока через воду.
В чистой воде на отрицательно заряженном катоде протекает реакция восстановления, при которой электроны (e−) с катода передаются катионам водорода, в результате чего образуется газообразный водород. На положительно заряженном аноде протекает реакция окисления, при которой образуется газообразный кислород, а электроны передаются аноду. Это означает, что вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов). Таким образом, получается следующее уравнение энергетического баланса:
2H+ (aq) + 2e— → H₂ (g) (восстановление на катоде)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e— (окисление на аноде)
Общая реакция: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
Для электролиза с целью получения водорода часто используют щелочную воду. Щелочные соли представляют собой растворимые гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, распространенными примерами которых являются гидроксид натрия (NaOH, также известный как едкий натр) и гидроксид калия (KOH, также известный как едкое кали). Для электролиза преимущественно используют растворы едких щелочей с концентрацией от 20% до 40%.
Соноэлектрохимическое производство водорода на ультразвуковом катоде.
Ультразвуковой синтез водорода
При получении газообразного водорода в электролитической реакции водород синтезируется непосредственно при потенциале разложения. Поверхность электродов – это область, где во время электрохимической реакции происходит образование водорода на молекулярном уровне. Молекулы водорода зарождаются на поверхности электрода, вследствие чего вокруг катода появляются пузырьки газообразного водорода. Использование ультразвуковых электродов улучшает импедансы активности и концентрационный импеданс и ускоряет подъем пузырьков водорода при электролизе воды. Несколько исследований показали, что ультразвуковое производство водорода эффективно повышает выход водорода.
- Более высокий выход водорода
- Повышенная энергоэффективность
➡️ Применяйте обработку ультразвуком для:
- Усиления массопереноса
- Ускоренного снижения накопленного импеданса
- Снижения омического падения напряжения
- Снижения перенапряжения реакции
- Снижения потенциала разложения
- Дегазации воды / водного раствора
- Очистки электродных катализаторов
Влияние ультразвука на электролиз
Электролиз, возбуждаемый ультразвуком, также известен как соноэлектролиз. Различные ультразвуковые факторы сономеханической и сонохимической природы влияют на электрохимические реакции и способствуют их протеканию.
- Ультразвуковые волны создают пузырьки
- Пузырьки схлопываются
- Экстремальный нагрев расщепляет молекулы воды
Факторы, влияющие на электролиз, являются результатом кавитации и колебаний, вызванных ультразвуком, и включают акустические течения, микротурбулентность, микроструи, ударные волны, а также сонохимические эффекты. Ультразвуковая / акустическая кавитация возникает при передаче в жидкость ультразвуковых волн высокой интенсивности. Явление кавитации характеризуется ростом и схлопыванием так называемых кавитационных пузырьков. Имплозивное схлопывание пузырьков сопровождается сверхинтенсивными, локально действующими силами. К ним относятся интенсивный локальный нагрев до 5000K, высокие давления до 1000 atm и огромные скорости нагрева и охлаждения (>100k/sec), которые вызывают уникальное взаимодействие между веществом и энергией. Например, эти кавитационные силы воздействуют на водородные связи в воде и способствуют расщеплению водных кластеров, что впоследствии приводит к снижению энергопотребления при электролизе.
Воздействие ультразвука на электроды
- Удаление отложений с поверхности электрода
- Активация поверхности электрода
- Перенос электролитов к электродам и от них
Ультразвуковая очистка и активация поверхностей электродов
Массоперенос – один из важнейших факторов, влияющих на скорость и быстроту реакции, а также на выход продуктов. Во время электролитических реакций продукты реакции, например осадки, накапливаются вокруг поверхностей электродов и непосредственно на них и замедляют электролитическое превращение свежего раствора на электроде. Электролитические процессы, интенсифицированные ультразвуком, демонстрируют усиленный массоперенос в объеме раствора и вблизи поверхностей. Ультразвуковые колебания и кавитация удаляют пассивирующие слои с поверхностей электродов, благодаря чему электроды постоянно сохраняют полную эффективность. Кроме того, известно, что обработка ультразвуком улучшает пути протекания реакций за счет сонохимических эффектов.
Снижение омического падения напряжения, перенапряжения реакции и потенциала разложения
Напряжение, необходимое для протекания электролиза, называется потенциалом разложения. Ультразвук может снизить необходимый потенциал разложения в процессах электролиза.
Ультразвуковая электролитическая ячейка
При электролизе воды подвод ультразвуковой энергии, расстояние между электродами и концентрация электролита являются ключевыми факторами, влияющими на электролиз воды и его эффективность.
Для щелочного электролиза используют электролитическую ячейку с водным раствором едкой щелочи, обычно содержащим 20%–40% KOH или NaOH. Электрическая энергия подводится к двум электродам.
Для ускорения реакции можно использовать электродные катализаторы. Например, электроды из Pt предпочтительны, поскольку реакция на них протекает легче.
В научных исследовательских статьях сообщается об экономии энергии на 10%–25% при использовании электролиза воды, интенсифицированного ультразвуком.
Ультразвуковые электролизеры для производства водорода в пилотном и промышленном масштабе
Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics рассчитаны на работу в режиме 24/7/365 при полной нагрузке и в тяжелых условиях технологических процессов.
Поставляя надежные ультразвуковые системы, специально разработанные сонотроды (зонды), которые одновременно выполняют функции электрода и передатчика ультразвуковых волн, а также электролизные реакторы, Hielscher Ultrasonics удовлетворяет специфические требования электролитического производства водорода. Все цифровые промышленные ультразвуковые аппараты серии UIP (UIP500hdT (500 ватт), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) и UIP4000hdT (4kW)) представляют собой высокопроизводительные ультразвуковые установки для электролиза.
Ультразвуковой зонд UIP2000hdT выполняет функцию анода. Применяемые ультразвуковые волны интенсифицируют электролитический синтез водорода.
В таблице ниже представлен обзор наших ультразвуковых аппаратов и соноэлектродов для электрохимического получения H₂ – от исследовательской лаборатории до производства:
| Ультразвуковой аппарат | Мощность ультразвука | Объем |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Пробирка Falcon |
| UP100H | 100W | от 10 до 200mL/min |
| UP400St | 400W | от 20 до 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | от 0,2 до 4L/min |
Оптимизируйте выход водорода с помощью обработки ультразвуком!
Соноэлектрохимическая ячейка для улучшения синтеза H2
Часто задаваемые вопросы – соноэлектрохимическое производство водорода
Что такое водород?
Водород – химический элемент с символом H и атомным номером 1. Со стандартной атомной массой 1,008 водород является самым легким элементом периодической таблицы. Водород – самое распространенное химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75% всей барионной массы. H₂ – газ, который образуется, когда два атома водорода соединяются и становятся молекулой водорода. H₂ также называют молекулярным водородом; он представляет собой двухатомную гомоядерную молекулу. Она состоит из двух протонов и двух электронов. Благодаря нейтральному заряду молекулярный водород стабилен и поэтому является наиболее распространенной формой водорода.
При производстве водорода в промышленном масштабе наиболее широко используемым способом является паровой риформинг природного газа. Альтернативный метод – электролиз воды. Большую часть водорода производят вблизи места его последующего использования, например рядом с предприятиями по переработке ископаемого топлива (например, для гидрокрекинга) и производителями удобрений на основе аммиака.
Что такое соноэлектрохимический синтез водорода?
Соноэлектрохимический синтез – гибридный метод, сочетающий ультразвуковую кавитацию с электрохимическим расщеплением воды. Благодаря воздействию высокочастотных звуковых волн – то есть ультразвука – на электрохимический реактор этот процесс усиливает массоперенос, очищает поверхности электродов и повышает общую эффективность получения водорода по сравнению с традиционным электролизом.
Как ультразвук повышает выход водорода при электролизе?
Ультразвук улучшает получение водорода главным образом за счет акустической кавитации. Образование и схлопывание микроскопических пузырьков создают интенсивную микротурбулентность, которая уменьшает толщину диффузионного слоя на поверхности электрода. Это обеспечивает более быструю подачу реагентов к катализатору и помогает эффективнее удалять пузырьки газообразного водорода, предотвращая «газовое экранирование» и позволяя достигать более высоких плотностей тока.
Каковы преимущества использования промышленного ультразвукового аппарата для синтеза водорода?
Использование ультразвуковых процессоров высокой интенсивности, таких как UIP2000hdT из промышленной серии UIP компании Hielscher, дает ряд преимуществ:
- Повышенная активность катализатора: Обработка ультразвуком предотвращает агломерацию наночастиц, поддерживая высокую активность катализаторов (таких как Pt, TiO₂ или Ni).
- Очистка электродов: Ультразвук непрерывно очищает поверхности электродов, уменьшая поляризацию и продлевая срок службы компонентов реактора.
- Масштабируемость: Эти системы рассчитаны на непрерывную работу в режиме 24/7, что делает их подходящими как для лабораторных исследований, так и для производства водорода в промышленном масштабе.
Какова роль кавитации в соноэлектрохимических реакциях?
Акустическая кавитация – основной механизм соноэлектрохимии. Когда ультразвуковые волны проходят через жидкость, они создают чередующиеся циклы высокого и низкого давления. Во время цикла низкого давления образуются и растут крошечные вакуумные пузырьки; во время цикла высокого давления они имплозивно схлопываются. Это схлопывание создает локальные экстремальные температуры и давления, которые могут способствовать химическим реакциям и значительно улучшать контакт между электродами и электролитом.
Можно ли использовать соноэлектрохимию с возобновляемыми источниками энергии?
Да. Соноэлектрохимические системы можно интегрировать с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная или ветровая энергия. Способность ультразвуковых процессоров эффективно работать при различных уровнях мощности делает их превосходным решением для энергоснабжения с перерывами, потенциально снижая углеродный след производства «зеленого» водорода.
Как соноэлектрохимическое производство водорода соотносится с традиционным паровым риформингом метана?
В отличие от парового риформинга метана (SMR), который основан на использовании ископаемого топлива и сопровождается значительными выбросами CO₂, соноэлектрохимический синтез обычно использует воду в качестве исходного сырья. Хотя в настоящее время SMR более широко освоен, соноэлектрохимия предлагает более чистую, «зеленую» альтернативу, которая может работать на электроэнергии из возобновляемых источников, что делает ее ключевой технологией для устойчивой водородной экономики.
Литература / Ссылки
- 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.
- José González-García, Ludovic Drouin, Craig E. Banks, Biljana Šljukić, Richard G. Compton (2007): At point of use sono-electrochemical generation of hydrogen peroxide for chemical synthesis: The green oxidation of benzonitrile to benzamide. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 14, Issue 2, 2007. 113-116.
- 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.