Ефективне виробництво водню за допомогою ультразвуку

Водень є альтернативним паливом, яке є переважним завдяки своїй екологічній чистоті та нульовій емісії вуглекислого газу. Однак традиційне виробництво водню не є ефективним для економічного масового виробництва. Ультразвуково сприяна електроліз води та лужних водних розчинів призводить до вищих виходів водню, швидкості реакції та швидкості перетворення. Ультразвуково асистований електроліз робить виробництво водню економічним та енергоефективним.
Ультразвуково сприяні електрохімічні реакції, такі як електроліз та електрокоагуляція, демонструють покращену швидкість реакції, швидкість та виходи.

Прискорюйте виробництво водню за допомогою сили ультразвуку та електрохімії

Поєднайте ефективність ультразвукової кавітації з точністю електрохімічних реакцій, щоб досягти вищих виходів водню та нижчого енергоспоживання. Передові соноелектрохімічні системи Hielscher покращують масоперенесення, підвищують активність каталізаторів та оптимізують поверхні електродів для стабільного, високопродуктивного виробництва H₂.
Ключові переваги:

• Покращене масоперенесення: Ультразвукові хвилі зменшують товщину дифузійного шару, забезпечуючи ефективну доставку реагентів до електродів.
• Покращена стабільність каталізатора: Ультразвукова обробка запобігає агломерації наночастинок, підтримуючи високу каталітичну активність з часом.
• Енергоефективність: Оптимізуйте енерговитрати, використовуючи мікромікшування та очищення поверхонь, спричинені кавітацією.

Ефективне виробництво водню за допомогою ультразвукової обробки

Електроліз води та водних розчинів з метою виробництва водню є перспективним процесом для виробництва чистої енергії. Електроліз води є електрохімічним процесом, де електричний струм застосовується для розщеплення води на два гази, а саме водень (H₂) та кисень (O₂). Для розщеплення зв’язків H – O – H за допомогою електролізу через воду пропускається електричний струм.
Для електролітичної реакції застосовується прямий електричний струм, щоб ініціювати іншу-не спонтанну реакцію. Електроліз може генерувати водень високої чистоти у простому, екологічно чистому, зеленому процесі з нульовою емісією CO₂, оскільки O₂ є єдиним побічним продуктом.
Щодо електролізу води, розщеплення води на кисень та водень досягається шляхом пропускання електричного струму через воду.
У чистій воді на негативно зарядженому катоді відбувається реакція відновлення, де електрони (e−) від катода передаються катіонам водню, утворюючи газоподібний водень. На позитивно зарядженому аноді відбувається реакція окиснення, яка генерує газоподібний кисень, передаючи електрони аноду. Це означає, що вода реагує на аноді, утворюючи кисень та позитивно заряджені іони водню (протони). При цьому виконується наступне рівняння енергетичного балансу:

2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (відновлення на катоді)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (окиснення на аноді)
Загальна реакція: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)

Часто для електролізу використовується лужна вода, щоб виробляти водень. Лужні солі є розчинними гідроксидами лужних металів та лужноземельних металів, прикладами яких є: гідроксид натрію (NaOH, також відомий як каустична сода) та гідроксид калію (KOH, також відомий як каустичний калій). Для електролізу переважно використовуються концентрації каустичного розчину від 20% до 40%.

Ультразвуковий синтез водню

Коли водень виробляється в електролітичній реакції, водень синтезується безпосередньо на потенціалі розкладання. Поверхня електродів є областю, де утворення водню відбувається на молекулярному рівні під час електрохімічної реакції. Молекули водню зароджуються на поверхні електрода, так що згодом навколо катода присутні бульбашки газоподібного водню. Використання ультразвукових електродів покращує активні імпеданси та концентраційний імпеданс і прискорює спливання бульбашок водню під час електролізу води. Кілька досліджень показали, що ультразвукове виробництво водню ефективно збільшує вихід водню.

Ультразвукові ефекти на електроліз

Ультразвуково збуджений електроліз також відомий як соноелектроліз. Різні ультразвукові фактори сономеханічної та сонохімічної природи впливають на електрохімічні реакції та сприяють їм.

1. Ультразвукові хвилі створюють бульбашки
2. Бульбашки колапсують
3. Екстремальна спека розщеплює молекули води

Фактори, що впливають на електроліз, є наслідками ультразвуково-індукованої кавітації та вібрації і включають акустичний стрімінг, мікротурбулентності, мікроджгути, ударні хвилі, а також сонохімічні ефекти. Ультразвукова / акустична кавітація виникає, коли високі інтенсивності ультразвукових хвиль вводяться в рідину. Явище кавітації характеризується зростанням і колапсом так званих кавітаційних бульбашок. Імплозія бульбашки характеризується надзвичайно інтенсивними силами, що діють локально. Ці сили включають інтенсивне локальне нагрівання до 5000K, високі тиски до 1000 atm та величезні швидкості нагрівання і охолодження (>100k/sec), і вони провокують унікальну взаємодію між речовиною та енергією. Наприклад, ці кавітаційні сили впливають на водневі зв’язки у воді та сприяють розщепленню кластерів води, що згодом призводить до зменшеного енергоспоживання для електролізу.

Ультразвуковий вплив на електроди

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

Ультразвукове очищення та активація поверхонь електродів

Масоперенос є одним із ключових факторів, що впливають на швидкість реакції, швидкість і вихід. Під час електролітичних реакцій продукт реакції, наприклад, осади, накопичуються навколо поверхонь електродів, а також безпосередньо на них, і уповільнюють електролітичне перетворення свіжого розчину на електроді. Електролітичні процеси, стимульовані ультразвуком, демонструють посилений масоперенос у об’ємі розчину та поблизу поверхонь. Ультразвукова вібрація та кавітація видаляють пасивуючі шари з поверхонь електродів і тим самим підтримують їх постійно повністю ефективними. Крім того, відомо, що ультразвукова обробка покращує шляхи реакції через сонохімічні ефекти.

Нижчий омчний спад напруги, реакційний перенапруга та потенціал розкладання

Напруга, необхідна для протікання електролізу, відома як потенціал розкладання. Ультразвук може знизити необхідний потенціал розкладання в процесах електролізу.

Ультразвукова електролітична комірка

Для електролізу води ультразвуковий вхід енергії, зазор між електродами та концентрація електроліту є ключовими факторами, що впливають на електроліз води та його ефективність.
Для лужного електролізу використовується електролітична комірка з водним каустичним розчином зазвичай 20%–40% KOH або NaOH. Електрична енергія подається на два електроди.
Каталізатори електродів можуть використовуватися для прискорення швидкості реакції. Наприклад, Pt електроди є сприятливими, оскільки реакція відбувається легше.
Наукові дослідницькі статті повідомляють про економію енергії 10%-25% при використанні ультразвуково-стимульованого електролізу води.

Ультразвукові електролізери для виробництва водню в пілотному та промисловому масштабах

Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics розроблені для роботи 24/7/365 під повним навантаженням та у важких процесах.
Завдяки поставці надійних ультразвукових систем, спеціально розроблених сонотродів (зондів), які одночасно функціонують як електрод і передавач ультразвукових хвиль, а також електролізних реакторів, Hielscher Ultrasonics задовольняє специфічні вимоги до електролітичного виробництва водню. Усі цифрові промислові ультразвукові пристрої серії UIP (UIP500hdT (500 ват), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), та UIP4000hdT (4kW)) є високоефективними ультразвуковими пристроями для застосування в електролізі.

Нижче наведена таблиця дає огляд наших сонікаторів та соноелектродів для електрохімічного виробництва H₂ – від дослідницької лабораторії до виробництва: