การผลิตไฮโดรเจนอย่างมีประสิทธิภาพด้วยอัลตราโซนิก

ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกที่น่าเลือกใช้เนื่องจากเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและไม่มีการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ อย่างไรก็ตาม การผลิตไฮโดรเจนแบบดั้งเดิมยังไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอสำหรับการผลิตปริมาณมากอย่างคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ การแยกน้ำและสารละลายน้ำที่เป็นด่างด้วยไฟฟ้าโดยส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิกทำให้ได้ผลผลิตไฮโดรเจน อัตราการเกิดปฏิกิริยา และความเร็วในการเปลี่ยนสารสูงขึ้น การแยกด้วยไฟฟ้าโดยใช้อัลตราโซนิกช่วยทำให้การผลิตไฮโดรเจนมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจและมีประสิทธิภาพด้านพลังงาน
ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิก เช่น การแยกด้วยไฟฟ้าและการตกตะกอนด้วยไฟฟ้า มีความเร็วและอัตราการเกิดปฏิกิริยาดีขึ้น รวมถึงให้ผลผลิตสูงขึ้น

เร่งการผลิตไฮโดรเจนด้วยพลังของอัลตราซาวนด์และเคมีไฟฟ้า

ผสานประสิทธิภาพของคาวิเทชันจากอัลตราโซนิกเข้ากับความแม่นยำของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า เพื่อให้ได้ผลผลิตไฮโดรเจนสูงขึ้นและใช้พลังงานน้อยลง ระบบเคมีไฟฟ้าที่ใช้อัลตราโซนิกขั้นสูงของ Hielscher เพิ่มการถ่ายเทมวล ปรับปรุงความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยา และปรับพื้นผิวขั้วไฟฟ้าให้เหมาะสม เพื่อการผลิต H₂ ที่สม่ำเสมอและมีสมรรถนะสูง
ประโยชน์หลัก:

• เพิ่มการถ่ายเทมวล: คลื่นอัลตราโซนิกช่วยลดความหนาของชั้นการแพร่ ทำให้ส่งสารตั้งต้นไปยังขั้วไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• เพิ่มเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา: การใช้อัลตราโซนิกป้องกันการรวมกลุ่มของอนุภาคนาโน ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาคงความว่องไวสูงได้ตลอดระยะเวลาการใช้งาน
• ประสิทธิภาพด้านพลังงาน: ปรับพลังงานที่ป้อนเข้าให้เหมาะสมโดยอาศัยการผสมระดับจุลภาคและการทำความสะอาดพื้นผิวที่เกิดจากคาวิเทชัน

การผลิตไฮโดรเจนอย่างมีประสิทธิภาพด้วยการใช้อัลตราโซนิก

การแยกน้ำและสารละลายในน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจนเป็นกระบวนการที่มีศักยภาพสำหรับการผลิตพลังงานสะอาด การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเป็นกระบวนการเคมีไฟฟ้าที่ใช้ไฟฟ้าเพื่อแยกน้ำออกเป็นก๊าซสองชนิด ได้แก่ ไฮโดรเจน (H₂) และออกซิเจน (O₂) การสลายพันธะ H – O – H ด้วยการแยกด้วยไฟฟ้าทำได้โดยให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านน้ำ
สำหรับปฏิกิริยาการแยกด้วยไฟฟ้า จะใช้กระแสไฟฟ้าตรงเพื่อเริ่มปฏิกิริยาที่ไม่สามารถเกิดขึ้นเองได้หากไม่มีการจ่ายกระแสไฟฟ้า การแยกด้วยไฟฟ้าสามารถผลิตไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงด้วยกระบวนการที่เรียบง่าย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และเป็นกระบวนการสีเขียวที่ไม่มีการปล่อย CO₂ เนื่องจาก O₂ เป็นผลพลอยได้เพียงชนิดเดียว
สำหรับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า การแยกน้ำออกเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจนทำได้โดยให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านน้ำ
ในน้ำบริสุทธิ์ ที่แคโทดซึ่งมีประจุลบจะเกิดปฏิกิริยารีดักชัน โดยอิเล็กตรอน (e−) จากแคโทดถูกส่งให้แก่ไอออนบวกของไฮโดรเจน ทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจน ที่แอโนดซึ่งมีประจุบวกจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ซึ่งผลิตก๊าซออกซิเจนพร้อมกับส่งอิเล็กตรอนให้แก่แอโนด กล่าวคือ น้ำทำปฏิกิริยาที่แอโนดเพื่อเกิดเป็นออกซิเจนและไอออนไฮโดรเจนที่มีประจุบวก (โปรตอน) จึงได้สมการสมดุลพลังงานดังต่อไปนี้:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (รีดักชันที่แคโทด)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (ออกซิเดชันที่แอโนด)
ปฏิกิริยาโดยรวม: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
มักใช้น้ำที่เป็นด่างในการแยกด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจน เกลือแอลคาไลคือไฮดรอกไซด์ที่ละลายน้ำได้ของโลหะแอลคาไลและโลหะแอลคาไลน์เอิร์ท ตัวอย่างที่พบบ่อย ได้แก่ โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH หรือที่เรียกว่าโซดาไฟ) และโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH หรือที่เรียกว่าโพแทชกัดกร่อน) สำหรับการแยกด้วยไฟฟ้า ส่วนใหญ่ใช้สารละลายด่างกัดกร่อนที่มีความเข้มข้น 20% ถึง 40%

การสังเคราะห์ไฮโดรเจนด้วยอัลตราโซนิก

เมื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจนในปฏิกิริยาการแยกด้วยไฟฟ้า ไฮโดรเจนจะถูกสังเคราะห์ ณ ศักย์การสลายตัวพอดี พื้นผิวของขั้วไฟฟ้าเป็นบริเวณที่เกิดไฮโดรเจนในระดับโมเลกุลระหว่างปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า โมเลกุลไฮโดรเจนเกิดนิวเคลียสที่พื้นผิวขั้วไฟฟ้า จากนั้นจึงเกิดฟองก๊าซไฮโดรเจนรอบแคโทด การใช้ขั้วไฟฟ้าอัลตราโซนิกช่วยปรับปรุงอิมพีแดนซ์ด้านกิจกรรมและอิมพีแดนซ์ด้านความเข้มข้น และเร่งการลอยขึ้นของฟองไฮโดรเจนระหว่างการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า งานวิจัยหลายชิ้นแสดงให้เห็นว่าการผลิตไฮโดรเจนด้วยอัลตราโซนิกเพิ่มผลผลิตไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ผลของอัลตราโซนิกต่อการแยกด้วยไฟฟ้า

การแยกด้วยไฟฟ้าที่กระตุ้นด้วยอัลตราโซนิกเรียกอีกอย่างว่าการแยกด้วยไฟฟ้าที่ใช้อัลตราโซนิก ปัจจัยต่าง ๆ ของอัลตราโซนิก ทั้งด้านกลศาสตร์และเคมีที่เกิดจากเสียง มีอิทธิพลต่อและส่งเสริมปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า

1. คลื่นอัลตราซาวนด์สร้างฟอง
2. ฟองยุบตัว
3. ความร้อนสูงมากแยกโมเลกุลน้ำ

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการแยกด้วยไฟฟ้าเกิดจากคาวิเทชันและการสั่นที่เหนี่ยวนำด้วยอัลตราซาวนด์ ซึ่งรวมถึงการไหลที่เกิดจากเสียง ความปั่นป่วนระดับจุลภาค ลำเจ็ตระดับจุลภาค คลื่นกระแทก ตลอดจนผลทางเคมีที่เกิดจากเสียง คาวิเทชันจากอัลตราโซนิก / เสียงเกิดขึ้นเมื่อถ่ายทอดคลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเข้าสู่ของเหลว ปรากฏการณ์คาวิเทชันมีลักษณะเฉพาะคือการเติบโตและการยุบตัวของฟองที่เรียกว่าฟองคาวิเทชัน การยุบตัวเข้าด้านในของฟองมีลักษณะเด่นคือแรงที่รุนแรงอย่างยิ่งและเกิดขึ้นเฉพาะจุด แรงเหล่านี้รวมถึงการเกิดความร้อนสูงเฉพาะจุดถึง 5000K ความดันสูงถึง 1000 atm และอัตราการเพิ่มและลดอุณหภูมิที่สูงมาก (>100k/sec) ซึ่งก่อให้เกิดปฏิสัมพันธ์เฉพาะตัวระหว่างสสารกับพลังงาน ตัวอย่างเช่น แรงจากคาวิเทชันเหล่านี้มีผลต่อพันธะไฮโดรเจนในน้ำ และช่วยให้กลุ่มโมเลกุลน้ำแยกออกจากกัน ส่งผลให้การแยกด้วยไฟฟ้าใช้พลังงานน้อยลงในเวลาต่อมา
 
ผลของอัลตราโซนิกต่อขั้วไฟฟ้า

• กำจัดสิ่งสะสมออกจากพื้นผิวขั้วไฟฟ้า
• 
กระตุ้นพื้นผิวขั้วไฟฟ้า
• ลำเลียงอิเล็กโทรไลต์เข้าหาและออกจากขั้วไฟฟ้า

การทำความสะอาดและการกระตุ้นพื้นผิวขั้วไฟฟ้าด้วยอัลตราโซนิก

การถ่ายเทมวลเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา ความเร็ว และผลผลิต ระหว่างปฏิกิริยาการแยกด้วยไฟฟ้า ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยา เช่น ตะกอน จะสะสมรอบ ๆ และบนพื้นผิวขั้วไฟฟ้าโดยตรง ทำให้การเปลี่ยนสารละลายใหม่ด้วยกระบวนการแยกด้วยไฟฟ้าที่ขั้วไฟฟ้าช้าลง กระบวนการแยกด้วยไฟฟ้าที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิกมีการถ่ายเทมวลเพิ่มขึ้นทั้งในเนื้อสารละลายและบริเวณใกล้พื้นผิว การสั่นและคาวิเทชันจากอัลตราโซนิกกำจัดชั้นพาสซิเวชันออกจากพื้นผิวขั้วไฟฟ้า จึงทำให้ขั้วไฟฟ้าคงประสิทธิภาพเต็มที่อย่างถาวร นอกจากนี้ เป็นที่ทราบว่าการใช้อัลตราโซนิกช่วยส่งเสริมเส้นทางปฏิกิริยาผ่านผลทางเคมีที่เกิดจากเสียง

ลดแรงดันตกคร่อมแบบโอห์ม ศักย์เกินของปฏิกิริยา และศักย์การสลายตัว

แรงดันที่จำเป็นต่อการเกิดการแยกด้วยไฟฟ้าเรียกว่าศักย์การสลายตัว อัลตราซาวนด์สามารถลดศักย์การสลายตัวที่จำเป็นในกระบวนการแยกด้วยไฟฟ้าได้

เซลล์แยกด้วยไฟฟ้าที่ใช้อัลตราโซนิก

สำหรับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า พลังงานอัลตราโซนิกที่ป้อนเข้า ระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้า และความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์เป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าและประสิทธิภาพของกระบวนการ
สำหรับการแยกด้วยไฟฟ้าแบบด่าง จะใช้เซลล์แยกด้วยไฟฟ้าที่มีสารละลายด่างกัดกร่อนในน้ำ ซึ่งโดยทั่วไปเป็น KOH หรือ NaOH ที่มีความเข้มข้น 20%–40% โดยจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้แก่ขั้วไฟฟ้าสองขั้ว
สามารถใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วไฟฟ้าเพื่อเร่งความเร็วของปฏิกิริยาได้ ตัวอย่างเช่น ขั้วไฟฟ้า Pt เหมาะแก่การใช้งานเนื่องจากปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้ง่ายกว่า
บทความวิจัยทางวิทยาศาสตร์รายงานว่าการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิกช่วยประหยัดพลังงานได้ 10%–25%

เครื่องแยกด้วยไฟฟ้าที่ใช้อัลตราโซนิกสำหรับการผลิตไฮโดรเจนในระดับนำร่องและระดับอุตสาหกรรม

เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics สร้างขึ้นสำหรับการทำงานตลอด 24/7/365 ภายใต้ภาระเต็มกำลังและในกระบวนการงานหนัก
ด้วยการจัดหาระบบอัลตราโซนิกที่แข็งแกร่ง โซโนโทรด (โพรบ) ที่ออกแบบเป็นพิเศษให้ทำหน้าที่ทั้งเป็นขั้วไฟฟ้าและตัวส่งคลื่นอัลตราซาวนด์พร้อมกัน รวมถึงเครื่องปฏิกรณ์สำหรับการแยกด้วยไฟฟ้า Hielscher Ultrasonics จึงตอบสนองความต้องการเฉพาะด้านการผลิตไฮโดรเจนด้วยการแยกด้วยไฟฟ้า เครื่องอัลตราโซนิกดิจิทัลระดับอุตสาหกรรมทุกรุ่นในซีรีส์ UIP (UIP500hdT (500 วัตต์), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1.5kW), UIP2000hdT (2kW) และ UIP4000hdT (4kW)) เป็นเครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการใช้งานด้านการแยกด้วยไฟฟ้า

ตารางด้านล่างแสดงภาพรวมของเครื่องอัลตราโซนิกและขั้วไฟฟ้าอัลตราโซนิกของเราสำหรับการผลิต H₂ ด้วยกระบวนการเคมีไฟฟ้า – ตั้งแต่ห้องปฏิบัติการวิจัยจนถึงการผลิต: