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.
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.

2x ultrazvočni procesorji modela UIP200hdT s sondami, ki delujejo kot elektrode, tj. Katoda in anoda. Ultrazvočne vibracije in kavitacija spodbujajo elektrokemično proizvodnjo vodika.
Kar zadeva elektrolizo vode, se delitev vode na kisik in vodik doseže s prehodom 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) (zmanjšanje na katodi)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (oksidacija na anodi)
Celotna 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.
Prednosti ultrazvoka pri elektrolizi vodika
- Višji izkoristki vodika
- Izboljšana energetska učinkovitost
Ker ultrazvok povzroči:
- Povečan prenos mase
- Pospešeno zmanjšanje akumulirane impedance
- Zmanjšan padec ohmične napetosti
- Zmanjšan prevelik potencial reakcije
- Zmanjšan potencial razgradnje
- Razplinjevanje vode / vodne raztopine
- Čiščenje elektrodnih katalizatorjev
Ultrazvočni učinki na elektrolizo
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.
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 ključnih dejavnikov, ki vplivajo na hitrost reakcije, hitrost in donos. Med elektrolitskimi reakcijami se reakcijski produkt, npr. oborine, kopiči okoli in neposredno na površinah elektrod in upočasnjuje elektrolitsko pretvorbo sveže raztopine v elektrodo. Ultrazvočno spodbujani elektrolitski procesi kažejo povečan prenos mase v razsuti raztopini in blizu površin. Ultrazvočne vibracije in kavitacija odstranijo pasibacijske plasti s površin elektrod in jih s tem trajno ohranijo v celoti učinkovite. 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.

Ultrazvočna sonda UIP2000hdT deluje kot anoda. Uporabljeni ultrazvočni valovi intenzivirajo elektrolitsko sintezo vodika.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
---|---|---|
002 do 5L | 00,05 do 1 l/min | UIP500hdT |
0.05 do 10L | 00,1 do 2 l/min | UIP1000hdT |
0.07 do 15L | 0.15 do 3 l/min | UIP1500hdT |
0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Kaj je vodik?
Vodik je kemični element s simbolom H in atomskim številom 1. S standardno atomsko maso 1, 008 je vodik najlažji element v periodnem sistemu. Vodik je najbolj razširjena kemična snov v vesolju, ki predstavlja približno 75% vse barionske mase. H2 je plin, ki nastane, ko se dva vodikova atoma povežeta in postaneta vodikova molekula. H2 se imenuje tudi molekularni vodik in je diatomska, homonuklearna molekula. Sestavljen je iz dveh protonov in dveh elektronov. Molekularni vodik z nevtralnim nabojem je stabilen in zato najpogostejša oblika vodika.
Ko se vodik proizvaja v industrijskem obsegu, je zemeljski plin s parnim reformingom najpogosteje uporabljena proizvodna oblika. Alternativna metoda je elektroliza vode. Večina vodika se proizvede v bližini mesta njegove slednje uporabe, npr. v bližini obratov za predelavo fosilnih goriv (npr. Hidrokreking) in proizvajalcev gnojil na osnovi amoniaka.
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.
- 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.