Effektiv vätgasproduktion med ultraljud

Vätgas är ett alternativt bränsle som är att föredra på grund av dess miljövänlighet och noll koldioxidutsläpp. Konventionell vätgasproduktion är dock inte effektiv för ekonomisk massproduktion. Den ultraljudsfrämjade elektrolysen av vatten och alkaliska vattenlösningar resulterar i högre väteutbyte, reaktionshastighet och omvandlingshastighet. Ultraljudsassisterad elektrolys gör vätgasproduktionen ekonomisk och energieffektiv.
Ultraljudsfrämjade elektrokemiska reaktioner såsom elektrolys och elektrokoagulering visar förbättrad reaktionshastighet, hastighet och utbyte.

Effektiv vätegenerering med ultraljudsbehandling

Elektrolys av vatten och vattenlösningar för vätgasproduktion är en lovande process för produktion av ren energi. Elektrolys av vatten är en elektrokemisk process där elektricitet appliceras för att spjälka vatten i två gaser, nämligen väte (H2) och syre (O2). För att klyva H – O – H binds genom elektrolys, en elektrisk ström körs genom vattnet.
För den elektrolytiska reaktionen appliceras en direkt elektrisk valuta för att initiera en annan icke-spontan reaktion. Elektrolys kan generera väte med hög renhet i en enkel, miljövänlig, grön process med noll CO2-utsläpp eftersom O2 är den enda biprodukten.

 
När det gäller elektrolys av vatten uppnås uppdelningen av vatten i syre och väte genom att en elektrisk ström passerar genom vattnet.
I rent vatten vid den negativt laddade katoden sker en reduktionsreaktion där elektroner (e−) från katoden doneras till vätekatjoner så att vätgas bildas. Vid den positivt laddade anoden sker en oxidationsreaktion som genererar syrgas samtidigt som elektroner tillförs anoden. Detta innebär att vatten reagerar vid anoden för att bilda syre och positivt laddade vätejoner (protoner). Därmed är följande ekvation för energibalans klar:
 
2 timmar⁺ (aq) + 2e^– → h₂ g) (reduktion vid katoden)
2 timmar₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (oxidation vid anoden)
Övergripande reaktion: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ g)
 
Ofta används alkaliskt vatten för elektrolys för att producera vätgas. Alkalisalter är lösliga hydroxider av alkalimetaller och jordalkalimetaller, av vilka vanliga exempel är: Natriumhydroxid (NaOH, även känd som kaustiksoda) och kaliumhydroxid (KOH, även känd som kaustikkalium). För eletkromys används huvudsakligen koncentrationer på 20 % till 40 % kaustiklösning.

 

 

Ultraljudssyntes av väte

När vätgas produceras i en elektrolytisk reaktion syntetiseras vätet precis vid nedbrytningspotentialen. Elektrodernas yta är det område där vätebildning sker på molekylstadiet under den elektrokemiska reaktionen. Vätemolekylerna bildar sin kärna vid elektrodens yta, så att det därefter finns vätgasbubblor runt katoden. Användning av ultraljudselektroder förbättrar aktivitetsimpedanser och koncentrationsimpedans och påskyndar höjningen av vätebubblor under vattenelektrolys. Flera studier visade att ultraljudsproduktion av vätgas ökar vätgasutbytet effektivt.

 

Ultraljudseffekter på elektrolys

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.
 
Ultraljudspåverkan på elektroderna

• Ta bort avlagringar från elektrodytan
• Aktivering av elektrodytan
• Transport av elektrolyter mot och bort från elektroder

 

Ultraljudsrengöring och aktivering av elektrodytor

Massöverföring är en av de avgörande faktorerna som påverkar reaktionshastighet, hastighet och utbyte. Under elektrolytiska reaktioner ackumuleras reaktionsprodukten, t.ex. utfällningar, runt såväl som direkt på elektrodytorna och bromsar den elektrolytiska omvandlingen av färsk lösning till elektroden. Ultraljudsfrämjade elektrolytiska processer visar en ökad massöverföring i bulklösningen och nära ytorna. Ultraljudsvibrationer och kavitation tar bort passiveringsskikt från elektrodytorna och håller dem därmed permanent fullt effektiva. Dessutom är sonifiering känt för att förbättra reaktionsvägar genom sonokemiska effekter.

Lägre ohmskt spänningsfall, reaktionsöverpotential och nedbrytningspotential

Den spänning som krävs för att elektrolys ska inträffa är känd som nedbrytningspotential. Ultraljud kan sänka den nödvändiga nedbrytningspotentialen i elektrolysprocesser.

Cell för ultraljud elektrolys

För vattenelektrolys är ultraljudsenergitillförsel, elektrodgap och elektrolytkoncentration nyckelfaktorer som påverkar vattenelektrolysen och dess effektivitet.
För en alkalisk elektrolys används en elektrolyscell med en vattenhaltig kaustiklösning av vanligtvis 20%–40% KOH eller NaOH. Elektrisk energi appliceras på två elektroder.
Elektrodkatalysatorer kan användas för att accelerera reaktionshastigheten. Till exempel är Pt-elektroder gynnsamma eftersom reaktionen sker lättare.
Vetenskapliga forskningsartiklar rapporterar 10%-25% energibesparing med hjälp av den ultraljudsfrämjade elektrolysen av vatten.

Ultraljudselektrolysörer för vätgasproduktion i pilot- och industriell skala

Hielscher Ultrasonics’ Industriella ultraljudsprocessorer är byggda för 24/7/365-drift under full belastning och i tunga processer.
Genom att leverera robusta ultraljudssystem, specialdesignade sonotroder (sonder), som fungerar som elektrod och ultraljudsvågsändare samtidigt, och elektrolysreaktorer, tillgodoser Hielscher Ultrasonics de specifika kraven för elektrolytisk väteproduktion. Alla digitala industriella ultraljudsapparater i UIP-serien (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1 kW), UIP1500hdT (1,5 kW), UIP2000hdT (2 kW), och UIP4000hdT (4kW)) är högpresterande ultraljudsenheter för elektrolysapplikationer.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: