การผลิตไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพด้วยอัลตราโซนิก
ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกที่ดีกว่าเนื่องจากเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นศูนย์ อย่างไรก็ตาม การผลิตไฮโดรเจนแบบเดิมไม่มีประสิทธิภาพสําหรับการผลิตจํานวนมากอย่างประหยัด อิเล็กโทรไลซิสของน้ําและสารละลายน้ําอัลคาไลน์ที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิกส่งผลให้ผลผลิตไฮโดรเจนอัตราปฏิกิริยาและความเร็วในการแปลงสูงขึ้น อิเล็กโทรไลซิสช่วยอัลตราโซนิกทําให้การผลิตไฮโดรเจนประหยัดและประหยัดพลังงาน
ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิก เช่น อิเล็กโทรไลซิสและการแข็งตัวด้วยไฟฟ้าแสดงให้เห็นถึงความเร็ว อัตรา และผลผลิตของปฏิกิริยาที่ดีขึ้น
การสร้างไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพด้วย Sonication
อิเล็กโทรไลซิสของน้ําและสารละลายในน้ําเพื่อวัตถุประสงค์ในการผลิตไฮโดรเจนเป็นกระบวนการที่มีแนวโน้มสําหรับการผลิตพลังงานสะอาด อิเล็กโทรไลซิสของน้ําเป็นกระบวนการไฟฟ้าเคมีที่ใช้ไฟฟ้าเพื่อแยกน้ําออกเป็นก๊าซสองชนิด ได้แก่ ไฮโดรเจน (H2) และออกซิเจน (O2) เพื่อที่จะแยก H – O – พันธะ H โดยอิเล็กโทรไลซิสกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านน้ํา
สําหรับปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลต์จะใช้สกุลเงินไฟฟ้าโดยตรงเพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาที่ไม่เกิดขึ้นเองอย่างอื่น อิเล็กโทรไลซิสสามารถสร้างไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงในกระบวนการที่เรียบง่ายเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมโดยมีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นศูนย์เนื่องจาก O2 เป็นผลพลอยได้เพียงอย่างเดียว

โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก 2x ของรุ่น UIP2000hdT พร้อมโพรบ ที่ทําหน้าที่เป็นอิเล็กโทรด เช่น แคโทดและขั้วบวก การสั่นสะเทือนของอัลตราซาวนด์และโพรงอากาศส่งเสริมการผลิตไฮโดรเจนไฟฟ้าเคมี
เกี่ยวกับอิเล็กโทรไลซิสของน้ําการแยกน้ําเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจนทําได้โดยการส่งกระแสไฟฟ้าผ่านน้ํา
ในน้ําบริสุทธิ์ที่แคโทดที่มีประจุลบปฏิกิริยารีดิวซ์จะเกิดขึ้นโดยที่อิเล็กตรอน (e−) จากแคโทดถูกบริจาคให้กับไอออนบวกไฮโดรเจนเพื่อให้ก๊าซไฮโดรเจนก่อตัวขึ้น ที่ขั้วบวกที่มีประจุบวก ปฏิกิริยาออกซิเดชันจะเกิดขึ้น ซึ่งจะสร้างก๊าซออกซิเจนในขณะที่ให้อิเล็กตรอนแก่ขั้วบวก ซึ่งหมายความว่าน้ําทําปฏิกิริยาที่ขั้วบวกเพื่อสร้างออกซิเจนและไฮโดรเจนไอออนที่มีประจุบวก (โปรตอน) ดังนั้นสมการความสมดุลของพลังงานต่อไปนี้จึงเสร็จสมบูรณ์:
2 ชม.+ (AQ) + 2E– → ชม2 (g) (การลดที่แคโทด)
2 ชม.2O (l) → O2 (g) + 4H+ (AQ) + 4E– (ออกซิเดชันที่ขั้วบวก)
ปฏิกิริยาโดยรวม: 2H2O (l) → 2H2 (ก) + O2 (ช)
บ่อยครั้งที่น้ําอัลคาไลน์ใช้สําหรับอิเล็กโทรไลซิสเพื่อผลิตไฮโดรเจน เกลืออัลคาไลเป็นไฮดรอกไซด์ที่ละลายน้ําได้ของโลหะอัลคาไลและโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ ซึ่งตัวอย่างทั่วไป ได้แก่ โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH หรือที่เรียกว่าโซดาไฟ) และโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH หรือที่เรียกว่าโปแตชกัดกร่อน) สําหรับ eletcrolysis จะใช้สารละลายกัดกร่อนความเข้มข้น 20% ถึง 40% เป็นหลัก
การสังเคราะห์ไฮโดรเจนอัลตราโซนิก
เมื่อก๊าซไฮโดรเจนถูกผลิตขึ้นในปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลต์ไฮโดรเจนจะถูกสังเคราะห์ที่ศักยภาพการสลายตัว พื้นผิวของอิเล็กโทรดเป็นพื้นที่ที่การสร้างไฮโดรเจนเกิดขึ้นบนระดับโมเลกุลระหว่างปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี โมเลกุลไฮโดรเจนเป็นนิวเคลียสที่พื้นผิวอิเล็กโทรด เพื่อให้ฟองก๊าซไฮโดรเจนอยู่รอบ ๆ แคโทด การใช้อิเล็กโทรดอัลตราโซนิกช่วยเพิ่มอิมพีแดนซ์กิจกรรมและอิมพีแดนซ์ความเข้มข้นและเร่งการเพิ่มขึ้นของฟองอากาศไฮโดรเจนในระหว่างอิเล็กโทรไลซิสของน้ํา การศึกษาหลายชิ้นแสดงให้เห็นว่าการผลิตไฮโดรเจนอัลตราโซนิกช่วยเพิ่มผลผลิตไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ประโยชน์ของอัลตราโซนิกส์ต่อไฮโดรเจนอิเล็กโทรไลซิส
- ผลผลิตไฮโดรเจนที่สูงขึ้น
- ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน
เนื่องจากอัลตราซาวนด์ส่งผลให้:
- เพิ่มการถ่ายโอนมวล
- เร่งลดอิมพีแดนซ์สะสม
- ลดแรงดันไฟฟ้าตกของโอห์มมิก
- ลดศักยภาพปฏิกิริยาเกิน
- ลดศักยภาพในการสลายตัว
- การขจัดแก๊สของน้ํา / สารละลายในน้ํา
- การทําความสะอาดตัวเร่งปฏิกิริยาอิเล็กโทรด
ผลกระทบอัลตราโซนิกต่ออิเล็กโทรไลซิส
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.
ผลกระทบอัลตราโซนิกต่ออิเล็กโทรด
- ขจัดคราบสกปรกออกจากพื้นผิวอิเล็กโทรด
- การเปิดใช้งานพื้นผิวอิเล็กโทรด
- การขนส่งอิเล็กโทรไลต์เข้าหาและออกจากอิเล็กโทรด
การทําความสะอาดอัลตราโซนิกและการเปิดใช้งานพื้นผิวอิเล็กโทรด
การถ่ายเทมวลเป็นหนึ่งในปัจจัยสําคัญที่มีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา ความเร็ว และผลผลิต ในระหว่างปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลต์ ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา เช่น การตกตะกอน จะสะสมอยู่รอบๆ และโดยตรงบนพื้นผิวอิเล็กโทรด และชะลอการแปลงอิเล็กโทรไลต์ของสารละลายสดเป็นอิเล็กโทรด กระบวนการอิเล็กโทรไลต์ที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิกแสดงให้เห็นถึงการถ่ายโอนมวลที่เพิ่มขึ้นในสารละลายจํานวนมากและใกล้พื้นผิว การสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกและโพรงอากาศจะขจัดชั้นทู่ออกจากพื้นผิวอิเล็กโทรดและทําให้มีประสิทธิภาพอย่างเต็มที่อย่างถาวร นอกจากนี้ sonification ยังเป็นที่ทราบกันดีว่าช่วยเพิ่มเส้นทางปฏิกิริยาโดยเอฟเฟกต์โซโนเคมี
ลดแรงดันไฟฟ้าโอห์มก์ตกศักยภาพเกินปฏิกิริยาและศักยภาพการสลายตัว
แรงดันไฟฟ้าที่จําเป็นสําหรับอิเล็กโทรไลซิสที่จะเกิดขึ้นเรียกว่าศักยภาพการสลายตัว อัลตราซาวนด์สามารถลดศักยภาพการสลายตัวที่จําเป็นในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสได้
เซลล์อิเล็กโทรไลซิสอัลตราโซนิก
สําหรับอิเล็กโทรไลซิสของน้ํา อินพุตพลังงานอัลตราโซนิก ช่องว่างอิเล็กโทรด และความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์เป็นปัจจัยสําคัญที่ส่งผลต่ออิเล็กโทรไลซิสของน้ําและประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลซิส
สําหรับอิเล็กโทรไลซิสอัลคาไลน์จะใช้เซลล์อิเล็กโทรไลซิสที่มีสารละลายกัดกร่อนในน้ําโดยปกติ 20%–40% KOH หรือ NaOH พลังงานไฟฟ้าถูกนําไปใช้กับอิเล็กโทรดสองขั้ว
ตัวเร่งปฏิกิริยาอิเล็กโทรดสามารถใช้เพื่อเร่งความเร็วในการทําปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น อิเล็กโทรด Pt เป็นที่ชื่นชอบเนื่องจากปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้ง่ายขึ้น
บทความวิจัยทางวิทยาศาสตร์รายงานการประหยัดพลังงาน 10%-25% โดยใช้อิเล็กโทรไลซิสของน้ําที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิก
อิเล็กโทรไลเซอร์อัลตราโซนิกสําหรับการผลิตไฮโดรเจนในระดับนําร่องและอุตสาหกรรม
Hielscher Ultrasonics’ โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรมถูกสร้างขึ้นสําหรับการทํางานตลอด 24/7/365 ภายใต้ภาระเต็มที่และในกระบวนการงานหนัก
ด้วยการจัดหาระบบอัลตราโซนิกที่แข็งแกร่ง sonotrodes (โพรบ) ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษซึ่งทําหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดและเครื่องส่งสัญญาณคลื่นอัลตราซาวนด์ในเวลาเดียวกันและเครื่องปฏิกรณ์อิเล็กโทรไลซิส Hielscher Ultrasonics ตอบสนองความต้องการเฉพาะสําหรับการผลิตไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมดิจิตอลทั้งหมดของซีรีส์ UIP (UIP500hdT (500 วัตต์), ยูไอพี 1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1.5 กิโลวัตต์), UIP2000hdt (2kW) และ UIP4000hdT (4kW)) เป็นหน่วยอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงสําหรับการใช้งานด้วยอิเล็กโทรไลซิส

โพรบอัลตราโซนิกของ UIP2000hdT ทําหน้าที่เป็นขั้วบวก คลื่นอัลตราโซนิกที่ใช้ช่วยเพิ่มการสังเคราะห์ไฮโดรเจนด้วยอิเล็กโทรไลต์
ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:
ปริมาณแบทช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนํา |
---|---|---|
0.02 ถึง 5L | 0.05 ถึง 1L / นาที | UIP500hdT |
0.05 ถึง 10L | 0.1 ถึง 2L / นาที | ยูไอพี 1000hdT |
0.07 ถึง 15L | 0.15 ถึง 3L / นาที | UIP1500hdT |
0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L / นาที | UIP2000hdt |
10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L / นาที | UIP4000hdT |
ติดต่อเรา! / ถามเรา!
ข้อเท็จจริงที่ควรค่าแก่การรู้
ไฮโดรเจนคืออะไร?
ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีสัญลักษณ์ H และเลขอะตอม 1 ด้วยน้ําหนักอะตอมมาตรฐาน 1.008 ไฮโดรเจนจึงเป็นธาตุที่เบาที่สุดในตารางธาตุ ไฮโดรเจนเป็นสารเคมีที่มีมากที่สุดในจักรวาล คิดเป็นประมาณ 75% ของมวลแบริโอนิกทั้งหมด H2 เป็นก๊าซที่ก่อตัวขึ้นเมื่ออะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมรวมตัวกันและกลายเป็นโมเลกุลไฮโดรเจน H2 เรียกอีกอย่างว่าโมเลกุลไฮโดรเจนและเป็นโมเลกุลไดอะตอมโฮโมนิวเคลียร์ ประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและอิเล็กตรอนสองตัว มีประจุที่เป็นกลางโมเลกุลไฮโดรเจนมีความเสถียรและเป็นรูปแบบที่พบบ่อยที่สุดของไฮโดรเจน
เมื่อผลิตไฮโดรเจนในระดับอุตสาหกรรมก๊าซธรรมชาติแบบไอน้ําเป็นรูปแบบการผลิตที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด อีกวิธีหนึ่งคืออิเล็กโทรไลซิสของน้ํา ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ผลิตขึ้นใกล้กับสถานที่ที่ใช้ในภายหลัง เช่น ใกล้กับโรงงานแปรรูปเชื้อเพลิงฟอสซิล (เช่น ไฮโดรแคร็ก) และผู้ผลิตปุ๋ยแอมโมเนีย
วรรณกรรม / อ้างอิง
- 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.