Učinkovita proizvodnja vodika z ultrazvokom
Vodik je alternativno gorivo, ki je zaradi svoje okoljske prijaznosti in ničelnih emisij ogljikovega dioksida prednostna izbira. Vendar običajno pridobivanje vodika ni učinkovito za gospodarno množično proizvodnjo. Z ultrazvokom pospešena elektroliza vode in alkalnih vodnih raztopin omogoča večje izkoristke vodika, večjo reakcijsko hitrost in večjo hitrost pretvorbe. Z ultrazvokom podprta elektroliza omogoča gospodarno in energijsko učinkovito proizvodnjo vodika.
Z ultrazvokom pospešene elektrokemijske reakcije, kot sta elektroliza in elektrokoagulacija, izkazujejo izboljšano hitrost poteka reakcije, reakcijsko hitrost in izkoristke.
Pospešite proizvodnjo vodika z močjo ultrazvoka in elektrokemije
Združite učinkovitost ultrazvočne kavitacije z natančnostjo elektrokemijskih reakcij ter dosezite večje izkoristke vodika in manjšo porabo energije. Napredni sonoelektrokemijski sistemi Hielscher izboljšujejo prenos snovi, povečujejo aktivnost katalizatorjev in optimizirajo površine elektrod za dosledno, visoko zmogljivo pridobivanje H₂.
Ključne prednosti:
- Izboljšan prenos snovi: Ultrazvočni valovi zmanjšujejo debelino difuzijske plasti in zagotavljajo učinkovito dovajanje reaktantov do elektrod.
- Izboljšana stabilnost katalizatorjev: Sonikacija preprečuje aglomeracijo nanodelcev in skozi čas ohranja visoko katalitično aktivnost.
- Energijska učinkovitost: Optimizirajte vnos energije z izkoriščanjem mikromešanja in čiščenja površin, ki ju povzroča kavitacija.
Zagotovite dosledno kavitacijo visoke intenzivnosti z zanesljivimi ultrazvočnimi procesorji, zasnovanimi za neprekinjeno proizvodnjo H₂ 24/7. Pridobite podrobne informacije o naših ultrazvočnih rešitvah velike moči in se pogovorite z našimi strokovnjaki za sonikacijo!
2x ultrazvočna procesorja modela UIP2000hdT s sondama, ki delujeta kot elektrodi, tj. katoda in anoda. Ultrazvočno nihanje in kavitacija pospešujeta elektrokemijsko proizvodnjo vodika.
Učinkovito pridobivanje vodika s sonikacijo
Elektroliza vode in vodnih raztopin za pridobivanje vodika je obetaven postopek za proizvodnjo čiste energije. Elektroliza vode je elektrokemijski postopek, pri katerem se z električno energijo voda razcepi na dva plina, in sicer vodik (H₂) in kisik (O₂). Za cepitev vezi H – O – H z elektrolizo se skozi vodo prevaja električni tok.
Pri elektrolitski reakciji se uporabi enosmerni električni tok, da se sproži reakcija, ki sicer ne poteka spontano. Z elektrolizo je mogoče pridobivati vodik visoke čistosti v preprostem, okolju prijaznem, zelenem postopku z ničelnimi emisijami CO₂, saj je O₂ edini stranski produkt.
Pri elektrolizi vode se razcep vode na kisik in vodik doseže s prevajanjem električnega toka skozi vodo.
V čisti vodi na negativno nabiti katodi poteka redukcijska reakcija, pri kateri se elektroni (e−) s katode prenesejo na vodikove katione, tako da nastane plinasti vodik. Na pozitivno nabiti anodi poteka oksidacijska reakcija, pri kateri nastaja plinasti kisik, elektroni pa se prenesejo na anodo. To pomeni, da voda na anodi reagira in tvori kisik ter pozitivno nabite vodikove ione (protone). S tem je izpolnjena naslednja enačba energijske bilance:
2H+ (aq) + 2e– → H₂ (g) (redukcija na katodi)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (oksidacija na anodi)
Skupna reakcija: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
Za proizvodnjo vodika z elektrolizo se pogosto uporablja alkalna voda. Alkalne soli so topni hidroksidi alkalijskih in zemeljskoalkalijskih kovin, med katerimi sta pogosta primera natrijev hidroksid (NaOH, znan tudi kot kavstična soda) in kalijev hidroksid (KOH, znan tudi kot kavstična pepelika). Za elektrolizo se večinoma uporabljajo koncentracije kavstične raztopine od 20% do 40%.
Sonoelektrokemijska proizvodnja vodika na ultrazvočni katodi.
Ultrazvočna sinteza vodika
Pri pridobivanju plinastega vodika z elektrolitsko reakcijo se vodik sintetizira prav pri razkrojnem potencialu. Površina elektrod je območje, kjer med elektrokemijsko reakcijo poteka nastajanje vodika na molekulski ravni. Na površini elektrode nastajajo jedra vodikovih molekul, tako da so nato okoli katode prisotni mehurčki plinastega vodika. Uporaba ultrazvočnih elektrod izboljšuje impedance aktivnosti in koncentracijsko impedanco ter pospešuje dvigovanje vodikovih mehurčkov med elektrolizo vode. Več raziskav je pokazalo, da ultrazvočna proizvodnja vodika učinkovito povečuje izkoristke vodika.
- Večji izkoristki vodika
- Izboljšana energijska učinkovitost
➡️ Uporabite sonikacijo za:
- Povečan prenos snovi
- Pospešeno zmanjševanje nakopičene impedance
- Zmanjšan ohmski padec napetosti
- Zmanjšano reakcijsko prenapetost
- Zmanjšan razkrojni potencial
- Razplinjevanje vode / vodne raztopine
- Čiščenje katalizatorjev na elektrodah
Ultrazvočni učinki na elektrolizo
Z ultrazvokom vzbujena elektroliza je znana tudi kot sonoelektroliza. Različni ultrazvočni dejavniki sonomehanske in sonokemijske narave vplivajo na elektrokemijske reakcije in jih pospešujejo.
- Ultrazvočni valovi ustvarjajo mehurčke
- Mehurčki se sesedejo
- Izjemna toplota razcepi molekule vode
Dejavniki, ki vplivajo na elektrolizo, so posledica kavitacije in nihanja, povzročenih z ultrazvokom, ter vključujejo akustično strujanje, mikroturbulence, mik curke, udarne valove in sonokemijske učinke. Ultrazvočna / akustična kavitacija nastane, ko se ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti sklopijo s tekočino. Za pojav kavitacije sta značilna rast in sesedanje tako imenovanih kavitacijskih mehurčkov. Implozijo mehurčka zaznamujejo izjemno intenzivne sile, ki delujejo lokalno. Te sile vključujejo intenzivno lokalno segrevanje do 5000K, visoke tlake do 1000 atm ter izredno velike hitrosti segrevanja in ohlajanja (>100k/sec), povzročajo pa edinstveno interakcijo med snovjo in energijo. Te kavitacijske sile na primer vplivajo na vodikove vezi v vodi in olajšajo razcep skupkov vode, kar posledično zmanjša porabo energije za elektrolizo.
Ultrazvočni vpliv na elektrode
- Odstranjevanje oblog s površine elektrode
- Aktivacija površine elektrode
- Prenos elektrolitov proti elektrodam in stran od njih
Ultrazvočno čiščenje in aktivacija površin elektrod
Prenos snovi je eden ključnih dejavnikov, ki vplivajo na reakcijsko hitrost, hitrost poteka reakcije in izkoristek. Med elektrolitskimi reakcijami se reakcijski produkti, npr. oborine, kopičijo okoli površin elektrod in neposredno na njih ter upočasnjujejo elektrolitsko pretvorbo sveže raztopine na elektrodi. Z ultrazvokom pospešeni elektrolitski postopki izkazujejo povečan prenos snovi v glavnini raztopine in v bližini površin. Ultrazvočno nihanje in kavitacija odstranjujeta pasivacijske plasti s površin elektrod in jih tako ohranjata trajno povsem učinkovite. Poleg tega je znano, da sonikacija s sonokemijskimi učinki izboljšuje reakcijske poti.
Manjši ohmski padec napetosti, reakcijska prenapetost in razkrojni potencial
Napetost, potrebna za potek elektrolize, je znana kot razkrojni potencial. Ultrazvok lahko zniža potrebni razkrojni potencial v postopkih elektrolize.
Ultrazvočna elektrolizna celica
Pri elektrolizi vode so vnos ultrazvočne energije, razmik med elektrodama in koncentracija elektrolita ključni dejavniki, ki vplivajo na elektrolizo vode in njeno učinkovitost.
Za alkalno elektrolizo se uporablja elektrolizna celica z vodno kavstično raztopino, običajno z 20%–40% KOH ali NaOH. Električna energija se dovaja dvema elektrodama.
Za pospeševanje hitrosti poteka reakcije se lahko uporabijo katalizatorji na elektrodah. Elektrode iz Pt so na primer ugodne, ker reakcija poteka lažje.
Znanstveni raziskovalni članki poročajo o 10%–25% prihranku energije pri uporabi z ultrazvokom pospešene elektrolize vode.
Ultrazvočni elektrolizatorji za proizvodnjo vodika v pilotnem in industrijskem obsegu
Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics so izdelani za delovanje 24/7/365 pri polni obremenitvi in v zahtevnih procesih.
Z dobavo robustnih ultrazvočnih sistemov, posebej zasnovanih sonotrod (sond), ki hkrati delujejo kot elektrode in oddajniki ultrazvočnih valov, ter elektroliznih reaktorjev Hielscher Ultrasonics izpolnjuje posebne zahteve za elektrolitsko proizvodnjo vodika. Vsi digitalni industrijski ultrazvočni procesorji serije UIP (UIP500hdT (500 vatov), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) in UIP4000hdT (4kW)) so visoko zmogljive ultrazvočne naprave za uporabo pri elektrolizi.
Ultrazvočna sonda naprave UIP2000hdT deluje kot anoda. Uporabljeni ultrazvočni valovi intenzivirajo elektrolitsko sintezo vodika.
Spodnja tabela prikazuje pregled naših sonikatorjev in sonoelektrod za elektrokemijsko pridobivanje H₂ – od raziskovalnega laboratorija do proizvodnje:
| Sonikator | Ultrazvočna moč | Prostornina |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Epruveta Falcon |
| UP100H | 100W | 10 do 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 do 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0,2 do 4L/min |
Optimizirajte izkoristek vodika s sonikacijo!
Sonoelektrokemijska celica za izboljšano sintezo H2
Pogosta vprašanja – sonoelektrokemijska proizvodnja vodika
Kaj je vodik?
Vodik je kemijski element s simbolom H in atomskim številom 1. S standardno atomsko maso 1,008 je vodik najlažji element v periodnem sistemu. Vodik je najobilnejša kemijska snov v vesolju in predstavlja približno 75% vse barionske mase. H₂ je plin, ki nastane, ko se dva vodikova atoma povežeta in tvorita molekulo vodika. H₂ se imenuje tudi molekularni vodik in je dvoatomna, homonuklearna molekula. Sestavljata jo dva protona in dva elektrona. Ker ima nevtralen naboj, je molekularni vodik stabilen in zato najpogostejša oblika vodika.
Pri proizvodnji vodika v industrijskem obsegu je parni reforming zemeljskega plina najpogosteje uporabljena oblika proizvodnje. Alternativna metoda je elektroliza vode. Večina vodika se proizvede v bližini kraja njegove poznejše uporabe, npr. v bližini obratov za predelavo fosilnih goriv (npr. za hidrokreking) in proizvajalcev gnojil na osnovi amonijaka.
Kaj je sonoelektrokemijska sinteza vodika?
Sonoelektrokemijska sinteza je hibridna tehnika, ki združuje ultrazvočno kavitacijo z elektrokemijskim razcepom vode. Z dovajanjem visokofrekvenčnih zvočnih valov – tj. ultrazvoka – v elektrokemijski reaktor ta postopek izboljšuje prenos snovi, čisti površine elektrod in povečuje skupno učinkovitost pridobivanja vodika v primerjavi s tradicionalno elektrolizo.
Kako ultrazvok izboljšuje izkoristek vodika pri elektrolizi?
Ultrazvok izboljšuje pridobivanje vodika predvsem z akustično kavitacijo. Nastajanje in sesedanje mikroskopskih mehurčkov ustvarjata intenzivno mikroturbulenco, ki zmanjšuje debelino difuzijske plasti na površini elektrode. To zagotavlja hitrejše dovajanje reaktantov do katalizatorja in pomaga učinkoviteje odstranjevati mehurčke plinastega vodika, s čimer preprečuje »zastiranje s plinom« in omogoča večje gostote toka.
Katere so prednosti uporabe industrijskega sonikatorja za sintezo vodika?
Uporaba ultrazvočnih procesorjev visoke intenzivnosti, kot je UIP2000hdT iz industrijske serije UIP podjetja Hielscher, ponuja več prednosti:
- Povečana aktivnost katalizatorjev: Sonikacija preprečuje aglomeracijo nanodelcev in tako ohranja visoko aktivnost katalizatorjev (kot so Pt, TiO₂ ali Ni).
- Čiščenje elektrod: Ultrazvok neprekinjeno čisti površine elektrod, zmanjšuje polarizacijo in podaljšuje življenjsko dobo sestavnih delov reaktorja.
- Možnost povečanja obsega: Ti sistemi so zasnovani za neprekinjeno delovanje 24/7, zato so primerni tako za laboratorijske raziskave kot za proizvodnjo vodika v industrijskem obsegu.
Kakšna je vloga kavitacije pri sonoelektrokemijskih reakcijah?
Akustična kavitacija je osrednji mehanizem v sonoelektrokemiji. Ko ultrazvočni valovi prehajajo skozi tekočino, ustvarjajo izmenjujoče se cikle visokega in nizkega tlaka. Med ciklom nizkega tlaka nastajajo in rastejo drobni vakuumski mehurčki; med ciklom visokega tlaka se implozivno sesedejo. To sesedanje ustvarja lokalno izjemne temperature in tlake, ki lahko olajšajo kemijske reakcije in bistveno izboljšajo stik med elektrodami in elektrolitom.
Ali se lahko sonoelektrokemija uporablja z obnovljivimi viri energije?
Da. Sonoelektrokemijske sisteme je mogoče povezati z obnovljivimi viri energije, kot sta sončna ali vetrna energija. Zaradi zmožnosti ultrazvočnih procesorjev, da učinkovito delujejo pri različnih ravneh moči, se odlično ujemajo s prekinjajočo se oskrbo z energijo, kar lahko zmanjša ogljični odtis proizvodnje zelenega vodika.
Kako se sonoelektrokemijska proizvodnja vodika primerja s tradicionalnim parnim reformingom metana?
Za razliko od parnega reforminga metana (SMR), ki temelji na fosilnih gorivih in sprošča znatne količine CO₂, sonoelektrokemijska sinteza običajno uporablja vodo kot vhodno surovino. Čeprav je SMR trenutno bolj uveljavljen, sonoelektrokemija ponuja čistejšo, »zeleno« alternativo, ki se lahko napaja z električno energijo iz obnovljivih virov, zato je ključna tehnologija za trajnostno vodikovo gospodarstvo.
Literatura / reference
- 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.