Učinkovita proizvodnja vodika z ultrazvokom

Vodik je alternativno gorivo, ki je bolj zaželeno zaradi svoje okolju prijaznosti in ničelnih emisij ogljikovega dioksida. Vendar konvencionalna proizvodnja vodika ni učinkovita za ekonomično množično proizvodnjo. Ultrazvočno spodbujana elektroliza vode in alkalnih vodnih raztopin ima za posledico višji izkoristek vodika, hitrost reakcije in hitrost pretvorbe. Ultrazvočno podprta elektroliza omogoča ekonomično in energetsko učinkovito proizvodnjo vodika.
Ultrazvočno spodbujane elektrokemične reakcije, kot sta elektroliza in elektrokoagulacija, kažejo izboljšano hitrost, hitrost in donos reakcije.

Pospešite proizvodnjo vodika z močjo ultrazvoka in elektrokemije

Z združitvijo učinkovitosti ultrazvočne kavitacije in natančnosti elektrokemijskih reakcij je mogoče doseči višje izkoristke vodika in nižjo porabo energije. Napredni sono-elektrokemijski sistemi podjetja Hielscher izboljšujejo prenos mase, povečujejo aktivnost katalizatorja in optimizirajo površine elektrod za dosledno in visoko zmogljivo proizvodnjo H₂.
Glavne prednosti:

• Izboljšan prenos mase: Ultrazvočni valovi zmanjšujejo debelino difuzijskega sloja, s čimer zagotavljajo učinkovit prenos reaktantov do elektrod.
• Izboljšana stabilnost katalizatorja: Ultrazvok preprečuje aglomeracijo nanodelcev in tako dolgoročno ohranja visoko katalitično aktivnost.
• Energetska učinkovitost: Optimizirajte porabo energije z izkoriščanjem mikromešanja in čiščenja površin, ki ju povzroča kavitacija.

Učinkovita proizvodnja vodika z ultrazvočnim razbijanjem

Elektroliza vode in vodnih raztopin za proizvodnjo vodika je obetaven proces za proizvodnjo čiste energije. Elektroliza vode je elektrokemični proces, pri katerem se električna energija razdeli na dva plina, in sicer vodik (H2) in kisik (O2). Da bi razcepili H – O – H se veže z elektrolizo, električni tok teče skozi vodo.
Za elektrolitsko reakcijo se uporablja neposredna električna valuta, ki sproži drugačno nespontano reakcijo. Elektroliza lahko proizvede vodik visoke čistosti v preprostem, okolju prijaznem, okolju prijaznem in okolju prijaznem procesu z ničelnimi emisijami CO2, saj je O2 edini stranski proizvod.
Kar zadeva elektrolizo vode, se razcep vode na kisik in vodik doseže s pretokom električnega toka skozi vodo.
V čisti vodi na negativno nabiti katodi poteka redukcijska reakcija, pri kateri se elektroni (e-) iz katode darujejo vodikovim kationom, tako da nastane vodikov plin. Na pozitivno nabiti anodi poteka oksidacijska reakcija, ki ustvarja kisikov plin, medtem ko anodi daje elektrone. To pomeni, da voda reagira na anodi, da tvori kisik in pozitivno nabite vodikove ione (protone). S tem se zaključi naslednja enačba energetske bilance:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (redukcija na katodi)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oksidacija na anodi)
Splošna reakcija: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
Pogosto se za elektrolizo uporablja alkalna voda za proizvodnjo vodika. Alkalne soli so topni hidroksidi alkalijskih kovin in zemeljsko alkalijskih kovin, od katerih so pogosti primeri: natrijev hidroksid (NaOH, znan tudi kot kavstična soda) in kalijev hidroksid (KOH, znan tudi kot kavstični kalijev klorid). Za eletkrolizo se uporabljajo predvsem koncentracije od 20% do 40% jedke raztopine.

Ultrazvočna sinteza vodika

Ko se vodikov plin proizvaja v elektrolitski reakciji, se vodik sintetizira prav pri razgradnem potencialu. Površina elektrod je področje, kjer med elektrokemično reakcijo nastaja vodik na molekularni stopnji. Molekule vodika se nukleirajo na površini elektrode, tako da so okoli katode prisotni mehurčki vodikovega plina. Uporaba ultrazvočnih elektrod izboljša impedanco aktivnosti in impedanco koncentracije ter pospeši dvig vodikovih mehurčkov med elektrolizo vode. Več študij je pokazalo, da ultrazvočna proizvodnja vodika učinkovito poveča donos vodika.

Ultrazvočni učinki na elektrolizo

Elektroliza z ultrazvočnim vzbujanjem je znana tudi kot sonoelektroliza. Različni ultrazvočni dejavniki sonomehanske in sonokemične narave vplivajo na elektrokemijske reakcije in jih pospešujejo.

1. Ultrazvočni valovi ustvarjajo mehurčke
2. Mehurčki se razpoči
3. Izjemna vročina razcepi molekule vode

Dejavniki, ki vplivajo na elektrolizo, so posledica kavitacije in vibracij, ki jih povzroča ultrazvok, in vključujejo akustični tok, mikroturbulence, mikrostruge, udarne valove ter sonokemične učinke. Ultrazvočna/akustična kavitacija nastane, ko se visoko intenzivni ultrazvočni valovi prenesejo v tekočino. Pojav kavitacije je značilen po nastajanju in razpadanju tako imenovanih kavitacijskih mehurčkov. Implozija mehurčkov je zaznamovana z izjemno intenzivnimi, lokalno nastopajočimi silami. Te sile vključujejo intenzivno lokalno segrevanje do 5000 K, visoke tlake do 1000 atm ter ogromne hitrosti segrevanja in ohlajanja (>100 k/sek) ter sprožajo edinstveno interakcijo med snovjo in energijo. Te kavitacijske sile na primer vplivajo na vodikove vezi v vodi in olajšujejo razcep vodnih grozdov, kar posledično vodi do zmanjšane porabe energije pri elektrolizi.
 
Ultrazvočni vpliv na elektrode

• Odstranjevanje usedlin s površine elektrode
• Aktivacija površine elektrode
• Transport elektrolitov proti elektrodam in stran od njih

Ultrazvočno čiščenje in aktiviranje površin elektrod

Prenos mase je eden od ključnih dejavnikov, ki vplivajo na reakcijsko hitrost, hitrost poteka in izkoristek. Med elektrolitskimi reakcijami se reakcijski produkti, npr. oborine, kopičijo tako okoli kot neposredno na površinah elektrod in upočasnjujejo elektrolitsko pretvorbo sveže raztopine na elektrodi. Elektrolitski procesi, pospešeni z ultrazvokom, kažejo povečan prenos mase v glavni raztopini in v bližini površin. Ultrazvočne vibracije in kavitacija odstranjujejo pasivacijske plasti s površin elektrod in jih tako ohranjajo trajno v polni učinkovitosti. Poleg tega je znano, da sonifikacija izboljša reakcijske poti s sonokemičnimi učinki.

Spodnji ohmični padec napetosti, reakcijski presežek in razgradni potencial

Napetost, potrebna za elektrolizo, je znana kot potencial razgradnje. Ultrazvok lahko zmanjša potreben razgradni potencial v procesih elektrolize.

Ultrazvočna celica za elektrolizo

Za elektrolizo vode so ultrazvočni vnos energije, elektrodna vrzel in koncentracija elektrolita ključni dejavniki, ki vplivajo na elektrolizo vode in njeno učinkovitost.
Za alkalno elektrolizo se uporablja celica za elektrolizo z vodno kavstično raztopino, običajno 20% - 40% KOH ali NaOH. Električna energija se nanese na dve elektrodi.
Elektrodni katalizatorji se lahko uporabljajo za pospeševanje hitrosti reakcije. Na primer, Pt elektrode so ugodne, saj reakcija poteka lažje.
Znanstvenoraziskovalni članki poročajo o 10-25% prihranku energije z uporabo ultrazvočno spodbujane elektrolize vode.

Ultrazvočni elektrolizatorji za proizvodnjo vodika v pilotnem in industrijskem merilu

Hielscher Ultrasonics’ Industrijski ultrazvočni procesorji so zgrajeni za delovanje 24/7/365 pri polni obremenitvi in v težkih procesih.
Z dobavo robustnih ultrazvočnih sistemov, posebej zasnovanih sonotrod (sond), ki hkrati delujejo kot elektroda in ultrazvočni valovni oddajnik, in reaktorjev za elektrolizo, Hielscher Ultrasonics izpolnjuje posebne zahteve za elektrolitsko proizvodnjo vodika. Vsi digitalni industrijski ultrazvočni aparati serije UIP (UIP500hdT (500 vatov), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2 kW) in UIP4000hdT (4kW)) so visoko zmogljive ultrazvočne enote za elektrolizo.

V spodnji tabeli je prikazan pregled naših sonikatorjev in sonoelektrod za elektrokemično proizvodnjo H₂ – od raziskovalnega laboratorija do proizvodnje: