Ultrasonik ile Verimli Hidrojen Üretimi
Hidrojen, çevre dostu olması ve sıfır karbondioksit emisyonu nedeniyle tercih edilen alternatif bir yakıttır. Bununla birlikte, konvansiyonel hidrojen üretimi, ekonomik seri üretim için verimli değildir. Su ve alkali su çözeltilerinin ultrasonik olarak teşvik edilen elektrolizi, daha yüksek hidrojen verimi, reaksiyon hızı ve dönüşüm hızı ile sonuçlanır. Ultrasonik destekli elektroliz, hidrojen üretimini ekonomik ve enerji açısından verimli hale getirir.
Elektroliz ve elektrokoagülasyon gibi ultrasonik olarak teşvik edilen elektrokimyasal reaksiyonlar, gelişmiş reaksiyon hızı, hızı ve verimi gösterir.
Sonikasyon ile Verimli Hidrojen Üretimi
Hidrojen üretimi amacıyla su ve sulu çözeltilerin elektrolizi, temiz enerji üretimi için umut verici bir süreçtir. Suyun elektrolizi, suyu hidrojen (H2) ve oksijen (O2) olmak üzere iki gaza ayırmak için elektriğin uygulandığı elektrokimyasal bir işlemdir. H'yi parçalamak için – O – H elektroliz ile bağlanır, suyun içinden bir elektrik akımı geçirilir.
Elektrolitik reaksiyon için, başka bir şekilde kendiliğinden olmayan bir reaksiyonu başlatmak için doğrudan bir elektrik para birimi uygulanır. Elektroliz, O2 tek yan ürün olduğu için sıfır CO2 emisyonu ile basit, çevre dostu, yeşil bir proseste yüksek saflıkta hidrojen üretebilir.
Problu UIP200hdT modelinin 2x ultrasonik işlemcisi, elektrot görevi gören, yani katot ve anot. Ultrason titreşimi ve kavitasyon, elektrokimyasal hidrojen üretimini teşvik eder.
Suyun elektrolizi ile ilgili olarak, suyun oksijen ve hidrojene ayrılması, suyun içinden bir elektrik akımı geçirilerek sağlanır.
Negatif yüklü katottaki saf suda, katottan gelen elektronların (e-) hidrojen katyonlarına bağışlandığı ve böylece hidrojen gazının oluştuğu bir indirgeme reaksiyonu gerçekleşir. Pozitif yüklü anotta, anoda elektron verirken oksijen gazı üreten bir oksidasyon reaksiyonu gerçekleşir. Bu, suyun oksijen ve pozitif yüklü hidrojen iyonları (protonlar) oluşturmak için anotta reaksiyona girdiği anlamına gelir. Böylece aşağıdaki enerji dengesi denklemi tamamlanır:
2H+ (Sulu) + 2E– → H2 (g) (katotta azalma)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (Sulu) + 4E– (anotta oksidasyon)
Genel reaksiyon: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
Genellikle, hidrojen üretmek için elektroliz için alkali su kullanılır. Alkali tuzlar, alkali metallerin ve toprak alkali metallerin çözünür hidroksitleridir ve bunların yaygın örnekleri şunlardır: Sodyum hidroksit (NaOH, kostik soda olarak da bilinir) ve potasyum hidroksit (KOH, kostik potas olarak da bilinir). Eletkroliz için esas olarak ila @ kostik çözelti konsantrasyonları kullanılır.
Ultrasonik bir katotta hidrojenin Sono-elektrokimyasal üretimi.
Hidrojenin Ultrasonik Sentezi
Elektrolitik bir reaksiyonda hidrojen gazı üretildiğinde, hidrojen tam ayrışma potansiyelinde sentezlenir. Elektrotların yüzeyi, elektrokimyasal reaksiyon sırasında moleküler aşamada hidrojen oluşumunun meydana geldiği alandır. Hidrojen molekülleri elektrot yüzeyinde çekirdeklenir, böylece daha sonra katodun etrafında hidrojen gazı kabarcıkları bulunur. Ultrasonik elektrotların kullanılması, aktivite empedanslarını ve konsantrasyon empedansını iyileştirir ve su elektrolizi sırasında hidrojen kabarcıklarının yükselmesini hızlandırır. Birkaç çalışma, ultrasonik hidrojen üretiminin hidrojen verimini verimli bir şekilde artırdığını göstermiştir.
Ultrasoniklerin Hidrojen Elektrolizi Üzerindeki Faydaları
- Daha yüksek hidrojen verimi
- Geliştirilmiş enerji verimliliği
Ultrason sonuçları olarak:
- Artan kütle transferi
- Birikmiş empedansın hızlandırılmış azaltılması
- Azaltılmış omik voltaj düşüşü
- Azaltılmış reaksiyon aşırı potansiyeli
- Azaltılmış ayrışma potansiyeli
- Suyun gazdan arındırılması / sulu çözelti
- Elektrot katalizörlerinin temizlenmesi
Elektroliz Üzerine Ultrasonik Etkiler
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.
Elektrotlar Üzerinde Ultrasonik Etki
- Elektrot yüzeyindeki birikintilerin giderilmesi
- Elektrot yüzeyinin aktivasyonu
- Elektrolitlerin elektrotlara doğru ve elektrotlardan uzağa taşınması
Elektrot Yüzeylerinin Ultrasonik Temizlenmesi ve Aktivasyonu
Kütle transferi, reaksiyon hızını, hızını ve verimini etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Elektrolitik reaksiyonlar sırasında, reaksiyon ürünü, örneğin çökeltiler, elektrot yüzeylerinin etrafında ve doğrudan üzerinde birikir ve taze çözeltinin elektroda elektrolitik dönüşümünü yavaşlatır. Ultrasonik olarak teşvik edilen elektrolitik işlemler, toplu çözeltide ve yüzeylerin yakınında artan bir kütle transferi gösterir. Ultrasonik titreşim ve kavitasyon, pasivasyon katmanlarını elektrot yüzeylerinden uzaklaştırır ve böylece onları kalıcı olarak tam verimli tutar. Ayrıca, sonifikasyonun sonokimyasal etkilerle reaksiyon yollarını arttırdığı bilinmektedir.
Düşük Ohmik Voltaj Düşüşü, Reaksiyon Aşırı Potansiyeli ve Ayrışma Potansiyeli
Elektrolizin gerçekleşmesi için gereken voltaj, ayrışma potansiyeli olarak bilinir. Ultrason, elektroliz işlemlerinde gerekli ayrışma potansiyelini azaltabilir.
ultrasonik elektroliz hücresi
Su elektrolizi için, ultrasonik enerji girişi, elektrot boşluğu ve elektrolit konsantrasyonu, su elektrolizini ve verimliliğini etkileyen temel faktörlerdir.
Bir alkalin elektrolizi için, genellikle% 20 -% 40 KOH veya NaOH sulu kostik çözeltisine sahip bir elektroliz hücresi kullanılır. Elektrik enerjisi iki elektroda uygulanır.
Reaksiyon hızını hızlandırmak için elektrot katalizörleri kullanılabilir. Örneğin, reaksiyon daha kolay gerçekleştiği için Pt elektrotları tercih edilir.
Bilimsel araştırma makaleleri, ultrasonik olarak teşvik edilen su elektrolizini kullanarak% 10 -% 25 enerji tasarrufu sağladığını bildirmektedir.
Pilot ve Endüstriyel Ölçekte Hidrojen Üretimi için Ultrasonik Elektrolizörler
Hielscher Ultrasonics’ Endüstriyel ultrasonik işlemciler, tam yük altında ve ağır hizmet işlemlerinde 7/24/365 çalışma için üretilmiştir.
Hielscher Ultrasonics, aynı anda elektrot ve ultrason dalga vericisi olarak işlev gören sağlam ultrasonik sistemler, özel tasarlanmış sonotrodlar (problar) ve elektroliz reaktörleri sağlayarak, elektrolitik hidrojen üretimi için özel gereksinimleri karşılar. UIP serisinin tüm dijital endüstriyel ultrasonikatörleri (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1.5kW), UIP2000hdT (2kW) ve UIP4000hdT (4kW)) elektroliz uygulamaları için yüksek performanslı ultrasonik ünitelerdir.
UIP2000hdT'nin ultrasonik probu anot olarak işlev görür. Uygulanan ultrasonik dalgalar, hidrojenin elektrolitik sentezini yoğunlaştırır.
Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir:
| Numune Hacmi | Akış Oranı | Önerilen Cihaz |
|---|---|---|
| 0.02 ila 5L | 00,05 ila 1L/dk | UIP500hdT |
| 00,05 ila 10L | 0.1 ila 2L/dk | UIP1000hdT |
| 00,07 ila 15L | 0.15 ila 3L / dak | UIP1500hdT |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sor!
Hielscher Ultrasonics, laboratuvar, pilot ve endüstriyel ölçekte karıştırma uygulamaları, dispersiyon, emülsifikasyon ve ekstraksiyon için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretmektedir.
Bilmeye Değer Gerçekler
Hidrojen Nedir?
Hidrojen, sembolü H ve atom numarası 1 olan kimyasal elementtir. Standart atom ağırlığı 1.008 olan hidrojen, periyodik tablodaki en hafif elementtir. Hidrojen, evrende en bol bulunan kimyasal maddedir ve tüm baryonik kütlenin yaklaşık u'ini oluşturur. H2, iki hidrojen atomu birbirine bağlanıp bir hidrojen molekülü haline geldiğinde oluşan bir gazdır. H2 ayrıca moleküler hidrojen olarak da adlandırılır ve iki atomlu, homonükleer bir moleküldür. İki proton ve iki elektrondan oluşur. Nötr bir yüke sahip olan moleküler hidrojen kararlıdır ve bu nedenle hidrojenin en yaygın şeklidir.
Hidrojen endüstriyel ölçekte üretildiğinde, buharla reform yapan doğal gaz en yaygın kullanılan üretim şeklidir. Alternatif bir yöntem, suyun elektrolizidir. Hidrojenin çoğu, ikinci kullanım yerinin yakınında, örneğin fosil yakıt işleme tesislerinin (örneğin, hidrokraking) ve amonyak bazlı gübre üreticilerinin yakınında üretilir.
Literatür / Referanslar
- 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.