Efektívna výroba vodíka pomocou ultrazvuku

Vodík je alternatívne palivo, ktoré je výhodnejšie vďaka svojej šetrnosti k životnému prostrediu a nulovým emisiám oxidu uhličitého. Konvenčná výroba vodíka však nie je efektívna pre ekonomickú hromadnú výrobu. Ultrazvukom podporovaná elektrolýza vodných a alkalických vodných roztokov vedie k vyšším výťažkom vodíka, reakčnej rýchlosti a rýchlosti konverzie. Vďaka ultrazvukovej elektrolýze je výroba vodíka ekonomická a energeticky efektívna.
Ultrazvukom podporované elektrochemické reakcie, ako je elektrolýza a elektrokoagulácia, vykazujú zlepšenú rýchlosť, rýchlosť a výťažky reakcie.

Efektívna výroba vodíka pomocou sonikácie

Elektrolýza vodných a vodných roztokov na účely výroby vodíka je sľubným procesom výroby čistej energie. Elektrolýza vody je elektrochemický proces, pri ktorom sa elektrina používa na rozdelenie vody na dva plyny, a to vodík (H2) a kyslík (O2). Aby sa rozštiepil H – O – H sa viaže elektrolýzou, cez vodu prúdi elektrický prúd.
Pre elektrolytickú reakciu sa aplikuje priama elektrická mena na spustenie inej nespontánnej reakcie. Elektrolýza môže generovať vodík vysokej čistoty v jednoduchom, ekologickom a ekologickom procese s nulovými emisiami CO2, pretože O2 je jediným vedľajším produktom.

 
Pokiaľ ide o elektrolýzu vody, štiepenie vody na kyslík a vodík sa dosiahne prechodom elektrického prúdu cez vodu.
V čistej vode na záporne nabitej katóde prebieha redukčná reakcia, pri ktorej sú elektróny (e−) z katódy darované vodíkovým katiónom, takže vzniká plynný vodík. Na kladne nabitej anóde prebieha oxidačná reakcia, ktorá vytvára plynný kyslík a zároveň dáva anóde elektróny. To znamená, že voda reaguje na anóde za vzniku kyslíka a kladne nabitých vodíkových iónov (protónov). Tým sa dokončí táto rovnica energetickej bilancie:
 
2H⁺ aq) + 2e^– → H₂ g) (redukcia na katóde)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ aq) + 4e^– (oxidácia na anóde)
Celková reakcia: 2H₂O (l) → 2H₂ g) + O₂ g)
 
Na elektrolýzu sa často používa alkalická voda na výrobu vodíka. Alkalické soli sú rozpustné hydroxidy alkalických kovov a kovov alkalických zemín, z ktorých bežné príklady sú: hydroxid sodný (NaOH, tiež známy ako hydroxid sodný) a hydroxid draselný (KOH, tiež známy ako žierav draselný). Na eletkrolýzu sa používajú hlavne koncentrácie 20% až 40% žieravého roztoku.

 

 

Ultrazvuková syntéza vodíka

Keď sa plynný vodík vyrába v elektrolytickej reakcii, vodík sa syntetizuje priamo pri rozkladnom potenciáli. Povrch elektród je oblasť, kde dochádza k tvorbe vodíka v molekulárnom štádiu počas elektrochemickej reakcie. Molekuly vodíka sa nukleujú na povrchu elektródy, takže následne sú okolo katódy prítomné bubliny plynného vodíka. Použitie ultrazvukových elektród zlepšuje impedanciu aktivity a impedanciu koncentrácie a urýchľuje stúpanie vodíkových bublín počas elektrolýzy vody. Niekoľko štúdií preukázalo, že ultrazvuková výroba vodíka efektívne zvyšuje výťažnosť vodíka.

 

Ultrazvukové účinky na elektrolýzu

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.
 
Ultrazvukový vplyv na elektródy

• Odstránenie usadenín z povrchu elektródy
• Aktivácia povrchu elektródy
• Transport elektrolytov smerom k elektródam a od elektród

 

Ultrazvukové čistenie a aktivácia povrchov elektród

Prenos hmoty je jedným z rozhodujúcich faktorov ovplyvňujúcich rýchlosť reakcie, rýchlosť a výťažnosť. Počas elektrolytických reakcií sa reakčný produkt, napr. vyzráža, hromadí okolo a priamo na povrchoch elektród a spomaľuje elektrolytickú premenu čerstvého roztoku na elektródu. Ultrazvukom podporované elektrolytické procesy vykazujú zvýšený prenos hmoty v sypkom roztoku a v blízkosti povrchov. Ultrazvukové vibrácie a kavitácia odstraňujú pasivačné vrstvy z povrchov elektród a udržiavajú ich tak trvalo plne účinné. Okrem toho je známe, že sonifikácia zvyšuje reakčné dráhy sonochemickými účinkami.

Pokles nižšieho ohmického napätia, nadmerný potenciál reakcie a rozkladný potenciál

Napätie potrebné na elektrolýzu je známe ako rozkladný potenciál. Ultrazvuk môže znížiť potrebný rozkladný potenciál v procesoch elektrolýzy.

ultrazvukový elektrolýzny článok

Pri elektrolýze vody sú ultrazvukový vstup energie, medzera elektród a koncentrácia elektrolytu kľúčovými faktormi, ktoré ovplyvňujú elektrolýzu vody a jej účinnosť.
Na alkalickú elektrolýzu sa používa elektrolýzny článok s vodným žieravým roztokom zvyčajne 20%–40% KOH alebo NaOH. Elektrická energia sa aplikuje na dve elektródy.
Elektródové katalyzátory možno použiť na urýchlenie reakčnej rýchlosti. Napríklad Pt elektródy sú priaznivé, pretože reakcia prebieha ľahšie.
Vedecké výskumné články uvádzajú 10 % - 25 % úsporu energie pomocou ultrazvukom podporovanej elektrolýzy vody.

Ultrazvukové elektrolyzéry na výrobu vodíka v pilotnom a priemyselnom meradle

Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory sú skonštruované pre prevádzku 24/7/365 pri plnom zaťažení a v náročných procesoch.
Dodávaním robustných ultrazvukových systémov, špeciálne navrhnutých sonotród (sond), ktoré fungujú ako elektródy a vysielače ultrazvukových vĺn súčasne, a elektrolýznych reaktorov, spoločnosť Hielscher Ultrasonics spĺňa špecifické požiadavky na výrobu elektrolytického vodíka. Všetky digitálne priemyselné ultrazvuky série UIP (UIP500hdT (500 wattov), UIP1000hdT (1 kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2 kW) a UIP4000hdT (4kW)) sú vysokovýkonné ultrazvukové jednotky pre elektrolýzne aplikácie.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: