Ефикасна производња водоника помоћу ултразвука
Водоник је алтернативно гориво које је пожељније због своје еколошке прихватљивости и нулте емисије угљен-диоксида. Међутим, конвенционално добијање водоника није довољно ефикасно за економичну масовну производњу. Ултразвучно поспешена електролиза воде и алкалних водених раствора доводи до већих приноса водоника, веће брзине реакције и веће брзине конверзије. Електролиза потпомогнута ултразвуком чини производњу водоника економичном и енергетски ефикасном.
Електрохемијске реакције поспешене ултразвуком, као што су електролиза и електрокоагулација, показују побољшан темпо одвијања, брзину реакције и приносе.
Убрзајте производњу водоника снагом ултразвука и електрохемије
Комбинујте ефикасност ултразвучне кавитације са прецизношћу електрохемијских реакција да бисте постигли веће приносе водоника и мању потрошњу енергије. Напредни соноелектрохемијски системи Hielscher побољшавају пренос масе, повећавају активност катализатора и оптимизују површине електрода за уједначено добијање H₂ уз високе перформансе.
Кључне предности:
- Побољшан пренос масе: Ултразвучни таласи смањују дебљину дифузионог слоја, обезбеђујући ефикасно довођење реактаната до електрода.
- Побољшана стабилност катализатора: Соникација спречава агломерацију наночестица, одржавајући високу каталитичку активност током времена.
- Енергетска ефикасност: Оптимизујте унос енергије користећи микромешање и чишћење површина изазвано кавитацијом.
Обезбедите уједначену кавитацију високог интензитета помоћу поузданих ултразвучних процесора пројектованих за непрекидну производњу H₂ током 24/7. Сазнајте детаљније информације о нашим ултразвучним решењима велике снаге и разговарајте са нашим стручњацима за соникацију!
2x ултразвучна процесора модела UIP2000hdT са сондама, које делују као електроде, односно катода и анода. Ултразвучне вибрације и кавитација поспешују електрохемијску производњу водоника.
Ефикасно добијање водоника соникацијом
Електролиза воде и водених раствора ради добијања водоника представља перспективан процес за производњу чисте енергије. Електролиза воде је електрохемијски процес у којем се електрична енергија користи за разлагање воде на два гаса, водоник (H₂) и кисеоник (O₂). Да би се везе H – O – H раскинуле електролизом, кроз воду се пропушта електрична струја.
За електролитичку реакцију примењује се једносмерна електрична струја како би се покренула реакција која иначе није спонтана. Електролизом се може добити водоник високе чистоће у једноставном, еколошки прихватљивом, зеленом процесу са нултом емисијом CO₂, пошто је O₂ једини споредни производ.
Код електролизе воде, разлагање воде на кисеоник и водоник постиже се пропуштањем електричне струје кроз воду.
У чистој води, на негативно наелектрисаној катоди одвија се реакција редукције у којој се електрони (e−) са катоде предају катјонима водоника, тако да настаје гасовити водоник. На позитивно наелектрисаној аноди одвија се реакција оксидације, при којој настаје гасовити кисеоник, а електрони се предају аноди. То значи да вода реагује на аноди, образујући кисеоник и позитивно наелектрисане јоне водоника (протоне). Тиме се добија следећа једначина енергетског биланса:
2H+ (aq) + 2e– → H₂ (g) (редукција на катоди)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (оксидација на аноди)
Укупна реакција: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
За производњу водоника електролизом често се користи алкална вода. Алкалне соли су растворљиви хидроксиди алкалних и земноалкалних метала, чији су уобичајени примери: натријум-хидроксид (NaOH, познат и као каустична сода) и калијум-хидроксид (KOH, познат и као каустична поташа). За електролизу се углавном користе каустични раствори концентрације од 20% до 40%.
Соноелектрохемијска производња водоника на ултразвучној катоди.
Ултразвучна синтеза водоника
Када се гасовити водоник производи у електролитичкој реакцији, водоник се синтетише управо при потенцијалу разлагања. Површина електрода је област у којој се током електрохемијске реакције водоник формира на молекулском нивоу. Молекули водоника образују језгра на површини електроде, тако да се потом око катоде појављују мехурићи гасовитог водоника. Употреба ултразвучних електрода побољшава импедансе активности и концентрациону импедансу и убрзава издизање мехурића водоника током електролизе воде. Неколико студија показало је да ултразвучна производња водоника ефикасно повећава приносе водоника.
- Већи приноси водоника
- Побољшана енергетска ефикасност
➡️ Примените соникацију за:
- Повећан пренос масе
- Убрзано смањење акумулиране импедансе
- Смањен омски пад напона
- Смањен реакциони пренапон
- Смањен потенцијал разлагања
- Дегазацију воде / воденог раствора
- Чишћење катализатора на електродама
Утицаји ултразвука на електролизу
Ултразвучно побуђена електролиза позната је и као соноелектролиза. Различити ултразвучни фактори сономеханичке и сонохемијске природе утичу на електрохемијске реакције и подстичу их.
- Ултразвучни таласи стварају мехуриће
- Мехурићи колабирају
- Екстремна топлота разлаже молекуле воде
Фактори који утичу на електролизу резултат су кавитације и вибрација изазваних ултразвуком и обухватају акустичко струјање, микротурбуленције, микромлазеве, ударне таласе, као и сонохемијске ефекте. Ултразвучна / акустичка кавитација настаје када се ултразвучни таласи високог интензитета спрегну са течношћу. Феномен кавитације карактеришу раст и колапс такозваних кавитационих мехурића. Имплозију мехурића одликују изузетно интензивне силе које делују локално. Ове силе обухватају интензивно локално загревање до 5000K, високе притиске до 1000 atm и огромне брзине загревања и хлађења (>100k/sec) и изазивају јединствену интеракцију између материје и енергије. На пример, ове кавитационе силе утичу на водоничне везе у води и олакшавају разлагање кластера воде, што затим доводи до смањене потрошње енергије за електролизу.
Утицај ултразвука на електроде
- Уклањање наслага са површине електроде
- Активација површине електроде
- Транспорт електролита ка електродама и од њих
Ултразвучно чишћење и активација површина електрода
Пренос масе је један од кључних фактора који утичу на брзину реакције, њено одвијање и принос. Током електролитичких реакција, производи реакције, нпр. талози, накупљају се око површина електрода, као и непосредно на њима, и успоравају електролитичку конверзију свежег раствора на електроди. Електролитички процеси потпомогнути ултразвуком показују повећан пренос масе у главнини раствора и у близини површина. Ултразвучне вибрације и кавитација уклањају пасивационе слојеве са површина електрода и тиме их непрекидно одржавају потпуно ефикасним. Поред тога, познато је да соникација сонохемијским ефектима поспешује реакционе путеве.
Нижи омски пад напона, реакциони пренапон и потенцијал разлагања
Напон потребан за одвијање електролизе познат је као потенцијал разлагања. Ултразвук може снизити потребан потенцијал разлагања у процесима електролизе.
Ултразвучна електролитичка ћелија
За електролизу воде, унос ултразвучне енергије, размак између електрода и концентрација електролита кључни су фактори који утичу на електролизу воде и њену ефикасност.
За алкалну електролизу користи се електролитичка ћелија са воденим раствором каустичне базе, обично 20%–40% KOH или NaOH. Електрична енергија се доводи на две електроде.
Катализатори на електродама могу се користити за повећање брзине реакције. На пример, Pt електроде су погодне јер се реакција лакше одвија.
Научни истраживачки чланци наводе уштеду енергије од 10%–25% при електролизи воде потпомогнутој ултразвуком.
Ултразвучни електролизери за производњу водоника у пилотским и индустријским размерама
Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics конструисани су за рад 24/7/365 под пуним оптерећењем и у захтевним процесима.
Испоруком робусних ултразвучних система, посебно конструисаних сонотрода (сонди), које истовремено служе као електроде и предајници ултразвучних таласа, и реактора за електролизу, Hielscher Ultrasonics испуњава специфичне захтеве за електролитичку производњу водоника. Сви дигитални индустријски ултразвучни уређаји серије UIP (UIP500hdT (500 вати), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), и UIP4000hdT (4kW)) представљају ултразвучне уређаје високих перформанси за примену у електролизи.
Ултразвучна сонда уређаја UIP2000hdT служи као анода. Примењени ултразвучни таласи интензивирају електролитичку синтезу водоника.
Табела у наставку даје преглед наших соникатора и соноелектрода за електрохемијско добијање H₂ – од истраживачке лабораторије до производње:
| Соникатор | Ултразвучна снага | Запремина |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Епрувета Falcon |
| UP100H | 100W | 10 до 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 до 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0,2 до 4L/min |
Оптимизујте принос водоника соникацијом!
Соноелектрохемијска ћелија за побољшану синтезу H2
Често постављана питања – соноелектрохемијска производња водоника
Шта је водоник?
Водоник је хемијски елемент са симболом H и атомским бројем 1. Са стандардном атомском тежином од 1,008, водоник је најлакши елемент у периодном систему. Водоник је најзаступљенија хемијска супстанца у свемиру и чини приближно 75% укупне барионске масе. H₂ је гас који настаје када се два атома водоника повежу и образују молекул водоника. H₂ се назива и молекулски водоник и представља двоатомски, хомонуклеарни молекул. Састоји се од два протона и два електрона. Пошто има неутрално наелектрисање, молекулски водоник је стабилан и стога представља најчешћи облик водоника.
Када се водоник производи у индустријским размерама, парни реформинг природног гаса је најшире коришћен поступак производње. Алтернативни поступак је електролиза воде. Највећи део водоника производи се у близини места његове касније употребе, нпр. у близини постројења за прераду фосилних горива (нпр. за хидрокрекинг) и произвођача ђубрива на бази амонијака.
Шта је соноелектрохемијска синтеза водоника?
Соноелектрохемијска синтеза је хибридна техника која комбинује ултразвучну кавитацију са електрохемијским разлагањем воде. Применом високофреквентних звучних таласа – тј. ултразвука – у електрохемијском реактору, овај процес побољшава пренос масе, чисти површине електрода и повећава укупну ефикасност добијања водоника у поређењу са традиционалном електролизом.
Како ултразвук повећава принос водоника у електролизи?
Ултразвук побољшава добијање водоника првенствено путем акустичне кавитације. Настанак и колапс микроскопских мехурића стварају интензивну микротурбуленцију која смањује дебљину дифузионог слоја на површини електроде. Тиме се обезбеђује брже допремање реактаната до катализатора и доприноси ефикаснијем уклањању мехурића гасовитог водоника, чиме се спречава „гасно заклањање“ и омогућавају веће густине струје.
Које су предности употребе индустријског соникатора за синтезу водоника?
Употреба ултразвучних процесора високог интензитета, као што је UIP2000hdT из индустријске серије UIP компаније Hielscher, пружа неколико предности:
- Повећана активност катализатора: Соникација спречава агломерацију наночестица, одржавајући високу активност катализатора (као што су Pt, TiO₂ или Ni).
- Чишћење електрода: Ултразвук непрекидно чисти површине електрода, смањујући поларизацију и продужавајући век трајања компонената реактора.
- Могућност повећања размера: Ови системи су пројектовани за непрекидан рад 24/7, што их чини погодним како за лабораторијска истраживања тако и за производњу водоника у индустријским размерама.
Која је улога кавитације у соноелектрохемијским реакцијама?
Акустична кавитација је основни механизам у соноелектрохемији. Када ултразвучни таласи пролазе кроз течност, стварају наизменичне циклусе високог и ниског притиска. Током циклуса ниског притиска формирају се и расту сићушни вакуумски мехурићи; током циклуса високог притиска они имплозивно колабирају. Овај колапс локално ствара екстремне температуре и притиске, што може олакшати хемијске реакције и знатно побољшати контакт између електрода и електролита.
Да ли се соноелектрохемија може користити са обновљивим изворима енергије?
Да. Соноелектрохемијски системи могу се интегрисати са обновљивим изворима енергије, као што су соларна енергија или енергија ветра. Способност ултразвучних процесора да ефикасно раде при различитим нивоима снаге чини их изузетно погодним за испрекидано снабдевање енергијом, што потенцијално смањује угљенични отисак производње зеленог водоника.
Како се соноелектрохемијска производња водоника пореди са традиционалним парним реформингом метана?
За разлику од парног реформинга метана (SMR), који се ослања на фосилна горива и ослобађа значајне количине CO₂, соноелектрохемијска синтеза обично користи воду као сировину. Иако је SMR тренутно шире заступљен, соноелектрохемија нуди чистију, „зелену“ алтернативу која се може напајати електричном енергијом из обновљивих извора, што је чини кључном технологијом за одрживу водоничну економију.
Литература / Референце
- 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.