การผลิตไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพด้วยอัลตราโซนิก

ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกที่ดีกว่าเนื่องจากเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นศูนย์ อย่างไรก็ตาม การผลิตไฮโดรเจนแบบเดิมไม่มีประสิทธิภาพสําหรับการผลิตจํานวนมากอย่างประหยัด อิเล็กโทรไลซิสของน้ําและสารละลายน้ําอัลคาไลน์ที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิกส่งผลให้ผลผลิตไฮโดรเจนอัตราปฏิกิริยาและความเร็วในการแปลงสูงขึ้น อิเล็กโทรไลซิสช่วยอัลตราโซนิกทําให้การผลิตไฮโดรเจนประหยัดและประหยัดพลังงาน
ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิก เช่น อิเล็กโทรไลซิสและการแข็งตัวด้วยไฟฟ้าแสดงให้เห็นถึงความเร็ว อัตรา และผลผลิตของปฏิกิริยาที่ดีขึ้น

เร่งการผลิตไฮโดรเจนด้วยพลังของคลื่นอัลตราโซนิกและเคมีไฟฟ้า

รวมประสิทธิภาพของการเกิดโพรงอากาศด้วยคลื่นอัลตราโซนิกกับความแม่นยำของปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี เพื่อเพิ่มปริมาณไฮโดรเจนที่ผลิตได้และลดการใช้พลังงาน ระบบโซโน-อิเล็กโทรเคมีขั้นสูงของ Hielscher ช่วยเพิ่มการถ่ายโอนมวล ปรับปรุงกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา และปรับให้พื้นผิวอิเล็กโทรดเหมาะสมที่สุด เพื่อการผลิต H₂ ที่มีประสิทธิภาพสูงและสม่ำเสมอ
ประโยชน์หลัก:

• การถ่ายโอนมวลที่เพิ่มขึ้น: คลื่นอัลตราโซนิกช่วยลดความหนาของชั้นการแพร่ ทำให้สารปฏิกิริยาถูกส่งไปยังอิเล็กโทรดได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• ความเสถียรของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีขึ้น: การใช้คลื่นเสียงช่วยป้องกันการรวมตัวของอนุภาคนาโน ทำให้รักษาความมีประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาไว้ได้สูงอย่างต่อเนื่อง
• ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: เพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยใช้ประโยชน์จากกระบวนการผสมระดับไมโครที่เกิดจากปรากฏการณ์คาวิเทชันและการทำความสะอาดพื้นผิว

การสร้างไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพด้วย Sonication

อิเล็กโทรไลซิสของน้ําและสารละลายในน้ําเพื่อวัตถุประสงค์ในการผลิตไฮโดรเจนเป็นกระบวนการที่มีแนวโน้มสําหรับการผลิตพลังงานสะอาด อิเล็กโทรไลซิสของน้ําเป็นกระบวนการไฟฟ้าเคมีที่ใช้ไฟฟ้าเพื่อแยกน้ําออกเป็นก๊าซสองชนิด ได้แก่ ไฮโดรเจน (H2) และออกซิเจน (O2) เพื่อที่จะแยก H – O – พันธะ H โดยอิเล็กโทรไลซิสกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านน้ํา
สําหรับปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลต์จะใช้สกุลเงินไฟฟ้าโดยตรงเพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาที่ไม่เกิดขึ้นเองอย่างอื่น อิเล็กโทรไลซิสสามารถสร้างไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงในกระบวนการที่เรียบง่ายเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมโดยมีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นศูนย์เนื่องจาก O2 เป็นผลพลอยได้เพียงอย่างเดียว
เกี่ยวกับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า การแยกน้ำออกเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจนเกิดขึ้นโดยการส่งกระแสไฟฟ้าผ่านน้ำ
ในน้ําบริสุทธิ์ที่แคโทดที่มีประจุลบปฏิกิริยารีดิวซ์จะเกิดขึ้นโดยที่อิเล็กตรอน (e−) จากแคโทดถูกบริจาคให้กับไอออนบวกไฮโดรเจนเพื่อให้ก๊าซไฮโดรเจนก่อตัวขึ้น ที่ขั้วบวกที่มีประจุบวก ปฏิกิริยาออกซิเดชันจะเกิดขึ้น ซึ่งจะสร้างก๊าซออกซิเจนในขณะที่ให้อิเล็กตรอนแก่ขั้วบวก ซึ่งหมายความว่าน้ําทําปฏิกิริยาที่ขั้วบวกเพื่อสร้างออกซิเจนและไฮโดรเจนไอออนที่มีประจุบวก (โปรตอน) ดังนั้นสมการความสมดุลของพลังงานต่อไปนี้จึงเสร็จสมบูรณ์:
 
2 ชม.⁺ (AQ) + 2E^– → H₂ (ก) (การลดที่ขั้วแคโทด)
2 ชม.₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (AQ) + 4E^– (ออกซิเดชันที่ขั้วบวก)
ปฏิกิริยาโดยรวม: 2H₂O (ของเหลว) → 2H₂ (ก๊าซ) + O₂ (ก๊าซ)
 
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

ผลกระทบอัลตราโซนิกต่ออิเล็กโทรไลซิส

การอิเล็กโทรลิซิสที่ถูกกระตุ้นด้วยคลื่นอัลตราโซนิกยังเป็นที่รู้จักในชื่อ sonoelectrolysis ปัจจัยต่าง ๆ ของคลื่นอัลตราโซนิกทั้งในด้านกลไกและเคมีมีอิทธิพลและส่งเสริมให้เกิดปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี

1. คลื่นอัลตราซาวนด์สร้างฟองอากาศ
2. ฟองอากาศแตก
3. ความร้อนสูงมากทำให้โมเลกุลน้ำแตกตัว

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส เป็นผลมาจากปรากฏการณ์คาวิเทชันและการสั่นสะเทือนที่เกิดจากคลื่นอัลตราซาวนด์ ซึ่งรวมถึงการไหลของคลื่นเสียง (acoustic streaming), ความปั่นป่วนระดับไมโคร (micro-turbulences), ลำน้ำระดับไมโคร (microjets), คลื่นกระแทก (shock waves) รวมถึงผลทางโซโนเคมี (sonochemical effects) การเกิดคาวิเทชันด้วยคลื่นอัลตราโซนิก/เสียงเกิดขึ้นเมื่อคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงถูกส่งเข้าสู่ของเหลว ปรากฏการณ์คาวิเทชันมีลักษณะเด่นคือการเติบโตและการยุบตัวของสิ่งที่เรียกว่าฟองคาวิเทชัน การยุบตัวของฟองอากาศนี้เกิดจากแรงที่รุนแรงมากในบริเวณเฉพาะ ซึ่งแรงเหล่านี้รวมถึงการให้ความร้อนในบริเวณเฉพาะที่รุนแรงถึง 5000K ความดันสูงถึง 1000 atm และอัตราการให้ความร้อนและระบายความร้อนที่มหาศาล (>100k/sec) ซึ่งก่อให้เกิดปฏิสัมพันธ์ที่ไม่เหมือนใครระหว่างสสารและพลังงาน ตัวอย่างเช่น แรงคาวิเทชันเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อพันธะไฮโดรเจนในน้ำและช่วยเร่งการแยกตัวของกลุ่มโมเลกุลน้ำ ซึ่งส่งผลให้การใช้พลังงานในการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าลดลง
 
ผลกระทบอัลตราโซนิกต่ออิเล็กโทรด

• ขจัดคราบสกปรกออกจากพื้นผิวอิเล็กโทรด
• การเปิดใช้งานพื้นผิวอิเล็กโทรด
• การขนส่งอิเล็กโทรไลต์เข้าหาและออกจากอิเล็กโทรด

การทําความสะอาดอัลตราโซนิกและการเปิดใช้งานพื้นผิวอิเล็กโทรด

การถ่ายโอนมวลเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา ความเร็ว และผลผลิต ในระหว่างปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลต์ ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยา เช่น สารตกตะกอน จะสะสมตัวรอบๆ และบนพื้นผิวของอิเล็กโทรดโดยตรง ซึ่งทำให้การแปลงทางอิเล็กโทรไลต์ของสารละลายใหม่ที่ไหลเข้าสู่พื้นผิวอิเล็กโทรดช้าลง กระบวนการอิเล็กโทรไลต์ที่ได้รับการส่งเสริมด้วยคลื่นอัลตราโซนิกแสดงให้เห็นถึงการถ่ายโอนมวลที่เพิ่มขึ้นทั้งในส่วนหลักของสารละลายและบริเวณใกล้พื้นผิว การสั่นสะเทือนและปรากฏการณ์คาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิกช่วยกำจัดชั้นพาสซิเวชันออกจากพื้นผิวอิเล็กโทรด ทำให้พื้นผิวเหล่านั้นคงประสิทธิภาพสูงสุดอย่างถาวร นอกจากนี้ การใช้คลื่นอัลตราโซนิกยังเป็นที่ทราบกันดีว่าช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเส้นทางปฏิกิริยาผ่านผลทางโซโนเคมี

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

ตารางด้านล่างนี้ให้ภาพรวมเกี่ยวกับเครื่องโซนิเคเตอร์และโซโนอิเล็กโทรดของเราสำหรับการผลิต H₂ ด้วยวิธีทางเคมีไฟฟ้า – จากห้องทดลองสู่การผลิต: