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.
Zrýchlenie výroby vodíka pomocou ultrazvuku a elektrochémie
Spojením účinnosti ultrazvukovej kavitácie s presnosťou elektrochemických reakcií je možné dosiahnuť vyššiu výťažnosť vodíka a nižšiu spotrebu energie. Pokrokové sono-elektrochemické systémy spoločnosti Hielscher zvyšujú prenos hmoty, zlepšujú aktivitu katalyzátora a optimalizujú povrchy elektród s cieľom zabezpečiť konzistentnú a vysoko výkonnú výrobu H₂.
Hlavné výhody:
- Vylepšený prenos hmoty: Ultrazvukové vlny znižujú hrúbku difúznej vrstvy, čím zabezpečujú efektívny prísun reaktantov k elektródam.
- Zvýšená stabilita katalyzátora: Ultrazvuková úprava zabraňuje zhlukovaniu nanočastíc, čím sa v priebehu času zachováva vysoká katalytická aktivita.
- Energetická účinnosť: Optimalizujte spotrebu energie využitím mikromiešania a čistenia povrchu vyvolaného kavitáciou.
Zabezpečte konzistentnú kavitáciu s vysokou intenzitou vďaka spoľahlivým ultrazvukovým zariadeniam určeným na nepretržitú výrobu H₂ 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Získajte podrobné informácie o našich vysokovýkonných ultrazvukových riešeniach a poraďte sa s našimi odborníkmi na ultrazvuk!
2x ultrazvukové procesory modelu UIP2000hdT so sondami, ktoré fungujú ako elektródy, t. j. katóda a anóda. Ultrazvukové vibrácie a kavitácia podporujú elektrochemickú produkciu vodíka.
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, rozklad vody na kyslík a vodík sa dosahuje 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.
Sono-elektrochemická výroba vodíka na ultrazvukovej katóde.
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.
- Vyššie výťažnosti vodíka
- Zlepšená energetická účinnosť
➡️ Ultrazvukové ošetrzenie použite na:
- Zvýšený prenos hmoty
- Zrýchlené zníženie akumulovanej impedancie
- Znížený pokles ohmického napätia
- Znížený nadmerný potenciál reakcie
- Znížený potenciál rozkladu
- Odplyňovanie vody / vodného roztoku
- Čistenie elektródových katalyzátorov
Ultrazvukové účinky na elektrolýzu
Elektrolýza s ultrazvukovým budením je známa aj pod názvom sonoelektrolýza. Rôzne ultrazvukové faktory sonomechanickej a sonochemickej povahy ovplyvňujú a urýchľujú elektrochemické reakcie.
- Ultrazvukové vlny vytvárajú bubliny
- Bubliny praskajú
- Extrémne teplo rozštiepi molekuly vody
Faktory ovplyvňujúce elektrolýzu sú výsledkom kavitácie a vibrácií vyvolaných ultrazvukom a zahŕňajú akustické prúdenie, mikroturbulencie, mikroprúdy, rázové vlny, ako aj sonochemické účinky. K ultrazvukovej / akustickej kavitácii dochádza, keď sa do kvapaliny prenášajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou. Fenomén kavitácie je charakterizovaný rastom a kolapsom takzvaných kavitačných bublín. Implózia bubliny je charakterizovaná mimoriadne intenzívnymi, lokálne pôsobiacimi silami. Tieto sily zahŕňajú intenzívne lokálne zahrievanie až do 5000 K, vysoké tlaky až do 1000 atm a obrovské rýchlosti zahrievania a ochladzovania (>100 k/s), pričom vyvolávajú jedinečnú interakciu medzi hmotou a energiou. Napríklad tieto kavitačné sily pôsobia na vodíkové väzby vo vode a uľahčujú rozpad zhlukov molekúl vody, čo následne vedie k zníženiu spotreby energie pri elektrolýze.
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 kľúčových faktorov ovplyvňujúcich rýchlosť reakcie, jej priebeh a výťažok. Počas elektrolytických reakcií sa reakčné produkty, napr. zrazeniny, hromadia v okolí aj priamo na povrchoch elektród a spomaľujú elektrolytickú konverziu čerstvého roztoku na elektróde. Elektrolytické procesy podporované ultrazvukom vykazujú zvýšený prenos hmoty v objemovom roztoku aj v blízkosti povrchov. Ultrazvukové vibrácie a kavitácia odstraňujú pasivačné vrstvy z povrchov elektród, čím ich udržujú trvalo plne funkčné. Okrem toho je známe, že sonifikácia zlepšuje reakčné cesty prostredníctvom sonochemických efektov.
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.
Ultrazvuková sonda UIP2000hdT funguje ako anóda. Aplikované ultrazvukové vlny zintenzívňujú elektrolytickú syntézu vodíka.
V nasledujúcej tabuľke nájdete prehľad našich sonikátorov a sonoelektród určených na elektrochemickú výrobu H₂ – od výskumného laboratória po výrobu:
| Sonikátor | Výkon ultrazvuku | objem |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200 W | Falcon Tube |
| UP100H | 100 W | 10 až 200 ml/min |
| UP400St | 400 W | 20 až 400 ml/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 00,2 až 4 l/min |
Optimalizujte výťažok vodíka pomocou ultrazvuku!
Sonoelektrochemická bunka na zefektívnenie syntézy H₂
FAQ – Sono-elektrochemická výroba vodíka
Čo je vodík?
Vodík je chemický prvok so symbolom H a atómovým číslom 1. So štandardnou atómovou hmotnosťou 1,008 je vodík najľahším prvkom v periodickej tabuľke. Vodík je najrozšírenejšou chemickou látkou vo vesmíre, ktorá tvorí približne 75 % všetkej baryónovej hmoty. H2 je plyn, ktorý vzniká, keď sa dva atómy vodíka spoja a stanú sa molekulou vodíka. H2 sa tiež nazýva molekulárny vodík a je to diatomická, homonukleárna molekula. Skladá sa z dvoch protónov a dvoch elektrónov. Molekulárny vodík s neutrálnym nábojom je stabilný, a preto je najbežnejšou formou vodíka.
Keď sa vodík vyrába v priemyselnom meradle, najpoužívanejšou formou výroby je parný reforming zemného plynu. Alternatívnou metódou je elektrolýza vody. Väčšina vodíka sa vyrába v blízkosti miesta jeho použitia, napr. v blízkosti zariadení na spracovanie fosílnych palív (napr. hydrokrakovanie) a výrobcov hnojív na báze amoniaku.
Čo je to sonoelektrochemická syntéza vodíka?
Sonoelektrochemická syntéza je hybridná technika, ktorá kombinuje ultrazvukovú kavitáciu s elektrochemickým rozkladom vody. Využitím vysokofrekvenčných zvukových vĺn – t. j. ultrazvuk – v elektrochemickom reaktore tento proces zvyšuje prenos hmoty, čistí povrchy elektród a zlepšuje celkovú účinnosť výroby vodíka v porovnaní s tradičnou elektrolýzou.
Ako ultrazvuk zvyšuje výťažok vodíka pri elektrolýze?
Ultrazvuk zlepšuje výrobu vodíka predovšetkým prostredníctvom akustickej kavitácie. Vznik a kolaps mikroskopických bublín vytvára intenzívnu mikroturbulenciu, ktorá znižuje hrúbku difúznej vrstvy na povrchu elektródy. To zabezpečuje rýchlejší prísun reaktantov ku katalyzátoru a pomáha účinnejšie odstraňovať bubliny vodíkového plynu, čím sa zabraňuje “ochrana plynom” a umožňuje dosiahnuť vyššie hustoty prúdu.
Aké sú výhody použitia priemyselného ultrazvukového zariadenia na syntézu vodíka?
Využitie vysokovýkonných ultrazvukových procesorov, ako je model UIP2000hdT z priemyselnej série UIP spoločnosti Hielscher, prináša viacero výhod:
- Zvýšená aktivita katalyzátora: Ultrazvuková úprava zabraňuje zhlukovaniu nanočastíc, čím sa zachováva vysoká aktivita katalyzátorov (ako sú Pt, TiO₂ alebo Ni).
- Čistenie elektród: Ultrazvuk nepretržite čistí povrchy elektród, čím znižuje polarizáciu a predlžuje životnosť komponentov reaktora.
- Škálovateľnosť: Tieto systémy sú navrhnuté na nepretržitú prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni, vďaka čomu sú vhodné tak pre laboratórny výskum, ako aj pre výrobu vodíka v priemyselnom meradle.
Aká je úloha kavitácie v sonoelektrochemických reakciách?
Akustická kavitácia je základným mechanizmom v sonoelektrochémii. Keď ultrazvukové vlny prechádzajú kvapalinou, vytvárajú striedajúce sa cykly vysokého a nízkeho tlaku. Počas cyklu nízkeho tlaku sa vytvárajú a zväčšujú drobné vákuové bubliny; počas cyklu vysokého tlaku sa tieto bubliny implozívne zrútia. Toto zrútenie generuje lokálne extrémne teploty a tlaky, ktoré môžu uľahčiť chemické reakcie a výrazne zlepšiť kontakt medzi elektródami a elektrolytom.
Je možné využiť sonoelektrochémiu v spojení s obnoviteľnými zdrojmi energie?
Áno. Sonoelektrochemické systémy je možné integrovať s obnoviteľnými zdrojmi energie, ako sú solárna alebo veterná energia. Vďaka schopnosti ultrazvukových procesorov efektívne pracovať pri rôznych úrovniach výkonu sa výborne hodia pre prerušované dodávky energie, čím môžu potenciálne znížiť uhlíkovú stopu výroby zeleného vodíka.
Ako sa porovnáva sono-elektrochemická výroba vodíka s tradičným parným reformovaním metánu?
Na rozdiel od parného reformovania metánu (SMR), ktoré využíva fosílne palivá a spôsobuje značné emisie CO₂, sa pri sonoelektrochemickej syntéze zvyčajne ako surovina používa voda. Hoci je SMR v súčasnosti viac etablované, sonoelektrochémia ponúka čistejšiu, “zelený” alternatíva, ktorú je možné napájať elektrinou z obnoviteľných zdrojov, čo z nej robí kľúčovú technológiu pre udržateľné vodíkové hospodárstvo.
Literatúra / Referencie
- 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.