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.
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.
2x ультразвукові процесори моделі UIP2000hdT з зондами, які виступають в ролі електродів, тобто катод і анод. Ультразвук, вібрація і кавітація сприяють електрохімічному виробленню водню.
Що стосується електролізу води, то розщеплення води на кисень і водень досягається шляхом пропускання через воду електричного струму.
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– → Ч2 (g) (редукція на катоді)
2 год2О (л) → О2 (г) + 4Н+ (AQ) + 4E– (окислення на аноді)
Загальна реакція: 2 год2О (л) → 2 год2 (ж) + О2 (є)
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.
Соноелектрохімічне отримання водню на ультразвуковому катоді.
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.
Переваги ультразвуку при електролізі водню
- Вищий вихід водню
- Покращена енергоефективність
За результатами УЗД в:
- Збільшення масообміну
- Прискорене зниження накопиченого опору
- Знижене омічне падіння напруги
- Зниження перевищення потенціалу реакції
- Знижений потенціал розкладання
- Дегазація води / водного розчину
- Очищення електродних каталізаторів
Ультразвуковий вплив на електроепіляцію
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.
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 з найважливіших факторів, що впливають на швидкість реакції, швидкість і вихід. Під час електролітичних реакцій продукт реакції, наприклад випадає в осад, накопичується як навколо, так і безпосередньо на поверхнях електродів і уповільнює електролітичне перетворення свіжого розчину на електрод. Ультразвукові електролітичні процеси показують підвищений масообмін в сипучому розчині і поблизу поверхонь. Ультразвукова вібрація і кавітація видаляє пасиваційні шари з поверхонь електродів і тим самим зберігає їх постійну повну ефективність. Крім того, відомо, що соніфікація посилює шляхи реакцій за допомогою сонохімічних ефектів.
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.
Ультразвуковий зонд UIP2000HDT виконує функцію анода. Застосовані ультразвукові хвилі інтенсифікують електролітичний синтез водню.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 0від .02 до 5 л | 0від .05 до 1 л/хв | UIP500hdT |
| 0від .05 до 10 л | 0від .1 до 2 л/хв | UIP1000HDT |
| 0від .07 до 15 л | 0від .15 до 3 л/хв | UIP1500hdT |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Факти, які варто знати
Що таке водень?
Водень - хімічний елемент із символом Н і атомним номером 1. При стандартній атомній вазі 1,008 водень є найлегшим елементом періодичної системи. Водень є найпоширенішою хімічною речовиною у Всесвіті, що становить приблизно 75% усієї баріонної маси. H2 – це газ, який утворюється, коли два атоми водню з'єднуються між собою і стають молекулою водню. Н2 також називають молекулярним воднем і є двохатомною гомоядерною молекулою. Вона складається з двох протонів і двох електронів. Маючи нейтральний заряд, молекулярний водень стабільний і тим самим є найбільш поширеною формою водню.
Коли водень виробляється в промислових масштабах, найбільш широко використовуваною формою виробництва є природний газ з паровим риформінгом. Альтернативним методом є електроліз води. Більшість водню виробляється поблизу місця його останнього використання, наприклад, поблизу об'єктів з переробки викопного палива (наприклад, гідрокрекінгу) та виробників добрив на основі аміаку.
Література / Список літератури
- 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.