Ефикасна производња водоника са ултразвуком

Водоник је алтернативно гориво које је пожељно због своје еколошке прихватљивости и нулте емисије угљен-диоксида. Међутим, конвенционална производња водоника није ефикасна за економичну масовну производњу. Ултразвучно унапређена електролиза воде и алкалних водених раствора доводи до већег приноса водоника, брзине реакције и брзине конверзије. Ултразвучна електролиза чини производњу водоника економичном и енергетски ефикасном.
Ултразвучно промовисане електрохемијске реакције као што су електролиза и електрокоагулација показују побољшану брзину, брзину и приносе реакције.

Ефикасно стварање водоника уз помоћ ултразвука

Електролиза воде и водених раствора у сврху производње водоника је процес који обећава за производњу чисте енергије. Електролиза воде је електрохемијски процес где се електрична енергија примењује да би се вода поделила на два гаса, односно водоник (Х2) и кисеоник (О2). Да би се разбио Х – О – Х везе електролизом, електрична струја пролази кроз воду.
За електролитичку реакцију, директна електрична валута се примењује да би се покренула иначе не-спонтана реакција. Електролиза може да генерише водоник високе чистоће у једноставном, еколошки прихватљивом, зеленом процесу са нултом емисијом ЦО2, јер је О2 једини нуспроизвод.

 
Што се тиче електролизе воде, цепање воде на кисеоник и водоник се постиже пропуштањем електричне струје кроз воду.
У чистој води на негативно наелектрисаној катоди, одвија се реакција редукције где се електрони (е−) са катоде донирају водоничним катјонима тако да се формира гас водоник. На позитивно наелектрисаној аноди одвија се реакција оксидације, која генерише гас кисеоника док аноди даје електроне. То значи да вода реагује на аноди и формира кисеоник и позитивно наелектрисане водоникове јоне (протоне). Тиме се комплетира следећа једначина енергетског биланса:
 
2Х⁺ (ак) + 2е^– → Х₂ (г) (редукција на катоди)
2Х₂О (л) → О2 (г) + 4Х⁺ (ак) + 4е^– (оксидација на аноди)
Укупна реакција: 2Х₂О (л) → 2Х₂ (г) + О₂ (г)
 
Често се алкална вода користи за електролизу да би се произвео водоник. Алкалне соли су растворљиви хидроксиди алкалних и земноалкалних метала, од којих су уобичајени примери: натријум хидроксид (НаОХ, такође познат као каустична сода) и калијум хидроксид (КОХ, такође познат као каустична поташа). За електролизу се углавном користе концентрације од 20% до 40% каустичног раствора.

 

 

Ултразвучна синтеза водоника

Када се гасовити водоник производи у електролитичкој реакцији, водоник се синтетише тачно на потенцијалу разлагања. Површина електрода је област у којој долази до формирања водоника у молекуларној фази током електрохемијске реакције. Молекули водоника стварају језгро на површини електроде, тако да су мехурићи водоничног гаса присутни око катоде. Коришћење ултразвучних електрода побољшава импедансу активности и импедансу концентрације и убрзава подизање водоничних мехурића током електролизе воде. Неколико студија је показало да ултразвучна производња водоника ефикасно повећава приносе водоника.

 

Ултразвучни ефекти на електролизу

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.
 
Ултразвучни утицај на електроде

• Уклањање наслага са површине електроде
• Активација површине електроде
• Транспорт електролита ка и даље од електрода

 

Ултразвучно чишћење и активација површина електрода

Пренос масе је један од кључних фактора који утичу на брзину реакције, брзину и принос. Током електролитичких реакција, производ реакције, нпр. преципитати, акумулира се око и директно на површини електроде и успорава електролитичку конверзију свежег раствора у електроду. Ултразвучно промовисани електролитски процеси показују повећани пренос масе у расутом раствору и близу површина. Ултразвучне вибрације и кавитација уклањају слојеве пасивације са површина електрода и тако их одржавају трајно потпуно ефикасним. Штавише, познато је да сонификација побољшава реакционе путеве сонохемијским ефектима.

Доњи омски пад напона, пренапона реакције и потенцијал разлагања

Напон потребан за електролизу познат је као потенцијал разлагања. Ултразвук може смањити неопходан потенцијал разлагања у процесима електролизе.

ултразвучна ћелија за електролизу

За електролизу воде, улаз ултразвучне енергије, јаз између електрода и концентрација електролита су кључни фактори који утичу на електролизу воде и њену ефикасност.
За алкалну електролизу користи се ћелија за електролизу са воденим раствором каустике обично 20%–40% КОХ или НаОХ. Електрична енергија се примењује на две електроде.
За убрзавање брзине реакције могу се користити електродни катализатори. На пример, Пт електроде су повољне јер се реакција одвија лакше.
Научно-истраживачки чланци извештавају о уштеди енергије од 10% -25% коришћењем ултразвучно промовисане електролизе воде.

Ултразвучни електролизатори за производњу водоника у пилот и индустријским размерама

Hielscher Ultrasonics’ индустријски ултразвучни процесори су направљени за рад 24/7/365 под пуним оптерећењем и у тешким процесима.
Испоручујући робусне ултразвучне системе, специјално дизајниране сонотроде (сонде), које истовремено функционишу као електрода и предајник ултразвучних таласа, и реакторе за електролизу, Хиелсцхер Ултрасоницс задовољава специфичне захтеве за производњу електролитичког водоника. Сви дигитални индустријски ултрасоникатори серије УИП (УИП500хдТ (500 вати), УИП1000хдТ (1кВ), УИП1500хдТ (1,5 кВ), УИП2000хдТ (2кВ), и УИП4000хдТ (4кВ)) су ултразвучне јединице високих перформанси за примену у електролизи.

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: