Effektiv vätgasproduktion med ultraljud

Vätgas är ett alternativt bränsle som är att föredra tack vare sin miljövänlighet och avsaknad av koldioxidutsläpp. Konventionell vätgasframställning är dock inte tillräckligt effektiv för ekonomisk massproduktion. Ultraljudsfrämjad elektrolys av vatten och alkaliska vattenlösningar ger högre vätgasutbyte, högre reaktionshastighet och snabbare omvandling. Ultraljudsassisterad elektrolys gör vätgasproduktionen ekonomisk och energieffektiv.
Ultraljudsfrämjade elektrokemiska reaktioner såsom elektrolys och elektrokoagulering uppvisar förbättrad reaktionssnabbhet, reaktionstakt och utbyte.

Påskynda vätgasproduktionen med kraften hos ultraljud och elektrokemi

Kombinera effektiviteten hos ultraljudskavitation med precisionen hos elektrokemiska reaktioner för att uppnå högre vätgasutbyte och lägre energiförbrukning. Hielschers avancerade sonoelektrokemiska system förbättrar masstransporten och katalysatoraktiviteten samt optimerar elektrodytorna för jämn och högeffektiv H₂-framställning.
Viktiga fördelar:

• Förbättrad masstransport: Ultraljudsvågor minskar diffusionsskiktets tjocklek och säkerställer effektiv tillförsel av reaktanter till elektroderna.
• Förbättrad katalysatorstabilitet: Ultraljudsbehandling förhindrar agglomerering av nanopartiklar och bibehåller därmed hög katalytisk aktivitet över tid.
• Energieffektivitet: Optimera energitillförseln genom att utnyttja kavitationsinducerad mikroblandning och ytrengöring.

Effektiv vätgasframställning med ultraljudsbehandling

Elektrolys av vatten och vattenlösningar för vätgasframställning är en lovande process för produktion av ren energi. Elektrolys av vatten är en elektrokemisk process där elektricitet används för att spjälka vatten till två gaser, nämligen vätgas (H₂) och syrgas (O₂). För att bryta H – O – H-bindningarna genom elektrolys leds en elektrisk ström genom vattnet.
För den elektrolytiska reaktionen används likström för att initiera en reaktion som annars inte sker spontant. Elektrolys kan generera vätgas med hög renhet i en enkel, miljövänlig, grön process utan CO₂-utsläpp, eftersom O₂ är den enda biprodukten.
Vid elektrolys av vatten åstadkoms spjälkningen av vatten till syrgas och vätgas genom att en elektrisk ström leds genom vattnet.
I rent vatten sker en reduktionsreaktion vid den negativt laddade katoden, där elektroner (e−) från katoden avges till vätekatjoner så att vätgas bildas. Vid den positivt laddade anoden sker en oxidationsreaktion som genererar syrgas samtidigt som elektroner avges till anoden. Detta innebär att vatten reagerar vid anoden och bildar syre och positivt laddade vätejoner (protoner). Därmed fullbordas följande energibalansekvation:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (reduktion vid katoden)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oxidation vid anoden)
Totalreaktion: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
Ofta används alkaliskt vatten vid elektrolys för att producera vätgas. Alkalisalter är lösliga hydroxider av alkalimetaller och alkaliska jordartsmetaller, med följande vanliga exempel: natriumhydroxid (NaOH, även känt som kaustiksoda) och kaliumhydroxid (KOH, även känt som kaustikt kali). För elektrolys används främst lutlösningar med koncentrationer på 20% till 40%.

Ultraljudssyntes av vätgas

När vätgas produceras i en elektrolytisk reaktion syntetiseras vätet precis vid sönderdelningspotentialen. Elektrodernas yta är det område där vätebildningen sker på molekylär nivå under den elektrokemiska reaktionen. Vätemolekylerna bildar kärnor på elektrodytan, så att vätgasbubblor därefter finns runt katoden. Användning av ultraljudselektroder förbättrar aktivitetsimpedanserna och koncentrationsimpedansen och påskyndar vätgasbubblornas uppåtgående rörelse under vattenelektrolysen. Flera studier har visat att vätgasproduktion med ultraljud effektivt ökar vätgasutbytet.

Ultraljudets effekter på elektrolys

Ultraljudsexciterad elektrolys kallas även sonoelektrolys. Olika ultraljudsfaktorer av sonomekanisk och sonokemisk natur påverkar och främjar elektrokemiska reaktioner.

1. Ultraljudsvågor skapar bubblor
2. Bubblorna kollapsar
3. Extrem värme spjälkar vattenmolekyler

De faktorer som påverkar elektrolysen uppstår genom ultraljudsinducerad kavitation och vibration och omfattar akustisk strömning, mikroturbulens, mikrostrålar, stötvågor samt sonokemiska effekter. Ultraljudskavitation / akustisk kavitation uppstår när högintensiva ultraljudsvågor kopplas in i en vätska. Kavitationsfenomenet kännetecknas av att så kallade kavitationsbubblor växer och kollapsar. Bubblornas implosion kännetecknas av extremt intensiva krafter som uppträder lokalt. Dessa krafter omfattar intensiv lokal uppvärmning till upp till 5000K, höga tryck på upp till 1000 atm och enorma uppvärmnings- och kylningshastigheter (>100k/sec), och de ger upphov till en unik växelverkan mellan materia och energi. Dessa kavitationskrafter påverkar till exempel vätebindningarna i vatten och underlättar spjälkning av vattenkluster, vilket i sin tur leder till minskad energiförbrukning vid elektrolysen.
 
Ultraljudets inverkan på elektroderna

• Avlägsnande av avlagringar från elektrodytan
• 
Aktivering av elektrodytan
• Transport av elektrolyter till och från elektroderna

Rengöring och aktivering av elektrodytor med ultraljud

Massöverföring är en av de avgörande faktorer som påverkar reaktionshastighet, förloppets snabbhet och utbyte. Under elektrolytiska reaktioner ansamlas reaktionsprodukten, till exempel utfällningar, både runt och direkt på elektrodytorna och bromsar den elektrolytiska omvandlingen av färsk lösning vid elektroden. Elektrolytiska processer som främjas av ultraljud uppvisar ökad massöverföring i bulklösningen och nära ytorna. Ultraljudsvibrationer och kavitation avlägsnar passiveringsskikt från elektrodytorna och håller dem därmed kontinuerligt fullt effektiva. Dessutom är ultraljudsbehandling känd för att främja reaktionsvägar genom sonokemiska effekter.

Lägre ohmskt spänningsfall, reaktionsöverpotential och sönderdelningspotential

Den spänning som krävs för att elektrolys ska ske kallas sönderdelningspotential. Ultraljud kan sänka den sönderdelningspotential som krävs i elektrolysprocesser.

Ultraljudselektrolyscell

Vid vattenelektrolys är ultraljudets energitillförsel, elektrodavståndet och elektrolytkoncentrationen centrala faktorer som påverkar vattenelektrolysen och dess effektivitet.
För alkalisk elektrolys används en elektrolyscell med en vattenbaserad lutlösning som vanligtvis innehåller 20%–40% KOH eller NaOH. Elektrisk energi tillförs två elektroder.
Elektrodkatalysatorer kan användas för att öka reaktionshastigheten. Till exempel är Pt-elektroder fördelaktiga eftersom reaktionen sker lättare.
Vetenskapliga forskningsartiklar rapporterar energibesparingar på 10%–25% vid ultraljudsfrämjad elektrolys av vatten.

Ultraljudselektrolysörer för vätgasproduktion i pilot- och industriskala

Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer är konstruerade för drift 24/7/365 under full belastning och i krävande processer.
Genom att tillhandahålla robusta ultraljudssystem, specialkonstruerade sonotroder (sonder), som samtidigt fungerar som elektroder och sändare av ultraljudsvågor, samt elektrolysreaktorer tillgodoser Hielscher Ultrasonics de specifika kraven för elektrolytisk vätgasproduktion. Alla digitala industriella ultraljudsapparater i UIP-serien (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), och UIP4000hdT (4kW)) är högpresterande ultraljudsenheter för elektrolystillämpningar.

Tabellen nedan ger dig en översikt över våra ultraljudsapparater och sonoelektroder för elektrokemisk H₂-produktion – från forskningslaboratorium till produktion: