Ефективне виробництво водню за допомогою ультразвуку

Водень є альтернативним паливом, яке є кращим завдяки своїй екологічності та нульовому виділенню вуглекислого газу. Однак традиційна генерація водню не є ефективною для економічного масового виробництва. Електроліз води та лужних водних розчинів за допомогою ультразвуку призводить до вищого виходу водню, швидкості реакції та швидкості перетворення. Електроліз за допомогою ультразвуку робить виробництво водню економічним та енергоефективним.
Електрохімічні реакції, що пропагуються ультразвуком, такі як електроліз і електрокоагуляція, показують покращену швидкість, швидкість і вихід реакції.

Прискорення виробництва водню за допомогою ультразвуку та електрохімії

Поєднайте ефективність ультразвукової кавітації з точністю електрохімічних реакцій, щоб досягти вищого виходу водню та знизити енергоспоживання. Сучасні соноелектрохімічні системи компанії Hielscher посилюють масообмін, підвищують активність каталізатора та оптимізують поверхні електродів для стабільного та високоефективного отримання H₂.
Основні переваги:

• Посилена передача маси: Ультразвукові хвилі зменшують товщину дифузійного шару, забезпечуючи ефективне надходження реагентів до електродів.
• Підвищена стійкість каталізатора: Ультразвукова обробка запобігає агломерації наночастинок, забезпечуючи збереження високої каталітичної активності протягом тривалого часу.
• Енергоефективність: Оптимізуйте споживання енергії за рахунок використання мікроперемішування та очищення поверхні, що викликаються кавітацією.

Ефективна генерація водню за допомогою звукового звуку

Електроліз води та водних розчинів з метою отримання водню є перспективним процесом для виробництва чистої енергії. Електроліз води — це електрохімічний процес, під час якого електрика застосовується для розщеплення води на два гази, а саме водень (H2) і кисень (O2). Для того, щоб розщепити Н – O – Н з'єднується в результаті електролізу, через воду пропускається електричний струм.
Для електролітичної реакції застосовується пряма електрична валюта, яка ініціює неспонтанну реакцію. Електроліз може генерувати водень високої чистоти в простому, екологічно чистому, екологічному процесі з нульовим викидом CO2, оскільки O2 є єдиним побічним продуктом.
Що стосується електролізу води, то розщеплення води на кисень і водень відбувається шляхом пропускання електричного струму через воду.
У чистій воді на негативно зарядженому катоді відбувається реакція відновлення, коли електрони (e−) з катода віддаються катіонам водню, утворюючи газоподібний водень. На позитивно зарядженому аноді відбувається реакція окислення, в результаті якої утворюється газоподібний кисень, одночасно віддаючи електрони на анод. Це означає, що вода реагує на аноді з утворенням кисню та позитивно заряджених іонів водню (протонів). Тим самим завершується наступне рівняння енергетичного балансу:
 
2 год⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (г) (відновлення на катоді)
2 год₂О (л) → О2 (г) + 4Н⁺ (AQ) + 4E^– (окислення на аноді)
Загальна реакція: 2H₂O (р) → 2H₂ (г) + O₂ (г)
 
Часто для електролізу використовують лужну воду з метою отримання водню. Лужні солі — це розчинні гідроксиди лужних металів і лужноземельних металів, поширеними прикладами яких є: гідроксид натрію (NaOH, також відомий як каустична сода) і гідроксид калію (KOH, також відомий як їдкий поташ). Для електролізу використовують в основному концентрації від 20% до 40% їдкого розчину.

Ультразвуковий синтез водню

Коли газоподібний водень утворюється в електролітичній реакції, водень синтезується прямо на потенціалі розкладання. Поверхня електродів - це область, де на молекулярній стадії в ході електрохімічної реакції відбувається утворення водню. Молекули водню зароджуються на поверхні електрода, так що згодом навколо катода присутні бульбашки газоподібного водню. Використання ультразвукових електродів покращує імпеданс активності та імпеданс концентрації, а також прискорює підйом бульбашок водню під час електролізу води. Кілька досліджень продемонстрували, що ультразвукове виробництво водню ефективно збільшує вихід водню.

Ультразвуковий вплив на електроепіляцію

Електроліз із ультразвуковим збудженням також відомий як соноелектроліз. Різні ультразвукові фактори сономеханічного та сонохімічного характеру впливають на електрохімічні реакції та сприяють їхньому протіканню.

1. Ультразвукові хвилі утворюють бульбашки
2. Бульбашки лопаються
3. Екстремальна спека розщеплює молекули води

Фактори, що впливають на електроліз, є наслідком кавітації та вібрації, спричинених ультразвуком, і включають акустичні потоки, мікротурбулентності, мікрострумені, ударні хвилі, а також сонохімічні ефекти. Ультразвукова / акустична кавітація виникає, коли ультразвукові хвилі високої інтенсивності передаються в рідину. Явище кавітації характеризується утворенням та руйнуванням так званих кавітаційних бульбашок. Імплозія бульбашок супроводжується надзвичайно інтенсивними локальними силами. Ці сили включають інтенсивне локальне нагрівання до 5000 К, високий тиск до 1000 атм та надзвичайно високі швидкості нагрівання й охолодження (>100 тис./с), що зумовлює унікальну взаємодію між речовиною та енергією. Наприклад, ці кавітаційні сили впливають на водневі зв’язки у воді та сприяють розщепленню кластерів води, що, у свою чергу, призводить до зниження енергоспоживання під час електролізу.
 
Ультразвуковий вплив на електроди

• Видалення відкладень з поверхні електрода
• Активація поверхні електрода
• Транспортування електролітів до електродів і від них

Ультразвукова чистка та активація поверхонь електродів

Масообмін є одним із ключових факторів, що впливають на швидкість реакції та її вихід. Під час електролітичних реакцій продукти реакції, наприклад осади, накопичуються як безпосередньо на поверхнях електродів, так і навколо них, що уповільнює електролітичне перетворення свіжого розчину на електроді. Електролітичні процеси, що стимулюються ультразвуком, характеризуються підвищеним масообміном як у об’ємі розчину, так і поблизу поверхонь. Ультразвукові коливання та кавітація видаляють шари пасивації з поверхонь електродів, завдяки чому вони постійно залишаються повністю ефективними. Крім того, відомо, що соніфікація покращує реакційні шляхи завдяки сонохімічним ефектам.

Нижчий омічний падіння напруги, перенапруга реакції та потенціал розкладання

Напруга, необхідна для виникнення електролізу, відома як потенціал розкладання. Ультразвук дозволяє знизити необхідний потенціал розкладання в процесах електролізу.

Камера ультразвукового електролізу

Для електролізу води ультразвукове введення енергії, зазор між електродами та концентрація електроліту є ключовими факторами, які впливають на електроліз води та його ефективність.
Для лужного електролізу використовують електролізну камеру з водним їдким розчином зазвичай 20%-40% KOH або NaOH. Електрична енергія подається на два електроди.
Для прискорення швидкості реакції можна використовувати електродні каталізатори. Наприклад, електроди Pt є сприятливими, оскільки реакція протікає легше.
У наукових статтях повідомляється про економію енергії на 10%-25% при використанні електролізу води, що пропагується ультразвуком.

Ультразвукові електролізери для виробництва водню в дослідних і промислових масштабах

Hielscher Ultrasonics’ Промислові ультразвукові процесори розраховані на роботу 24/7/365 при повному навантаженні та у важких умовах.
Поставляючи надійні ультразвукові системи, спеціально розроблені сонотроди (зонди), які одночасно функціонують як електрод і передавач ультразвукових хвиль, а також реактори електролізу, Hielscher Ultrasonics задовольняє специфічні вимоги до електролітичного виробництва водню. Всі цифрові промислові ультразвукові апарати серії UIP (UIP500hdT (500 Вт), UIP1000HDT (1 кВт), UIP1500hdT (1,5 кВт), UIP2000HDT (2 кВт), і UIP4000HDT (4 кВт)) – це високопродуктивні ультразвукові установки для електролізу.

У таблиці нижче наведено огляд наших ультразвукових приладів та ультразвукових електродів для електрохімічного отримання H₂ – від дослідницької лабораторії до виробництва: