Hydro là một nhiên liệu thay thế thích hợp hơn do thân thiện với môi trường và không phát thải carbon dioxide. Tuy nhiên, sản xuất hydro thông thường không hiệu quả cho sản xuất hàng loạt kinh tế. Các ultrasonically thúc đẩy điện phân của nước và các giải pháp nước kiềm kết quả trong sản lượng hydro cao hơn, tốc độ phản ứng và tốc độ chuyển đổi. Ultrasonically hỗ trợ điện phân làm cho sản xuất hydro kinh tế và năng lượng hiệu quả.
Ultrasonically thúc đẩy các phản ứng điện hóa như điện phân và điện đông cho thấy tốc độ phản ứng được cải thiện, tốc độ và sản lượng.

Thế hệ hydro hiệu quả với Sonication

Điện phân nước và dung dịch nước cho mục đích tạo hydro là một quá trình đầy hứa hẹn để sản xuất năng lượng sạch. Điện phân nước là một quá trình điện hóa trong đó điện được áp dụng để tách nước thành hai loại khí, đó là hydro (H2) và oxy (O2). Để tách chữ H – các – H liên kết bằng điện phân, một dòng điện được chạy qua nước.
Đối với phản ứng điện phân, một loại tiền điện trực tiếp được áp dụng để bắt đầu một phản ứng không tự phát khôn ngoan khác. Điện phân có thể tạo ra hydro có độ tinh khiết cao trong một quy trình xanh đơn giản, thân thiện với môi trường với lượng khí thải CO2 bằng không vì O2 là sản phẩm phụ duy nhất.

 
Về điện phân nước, việc tách nước thành oxy và hydro đạt được bằng cách đi qua một dòng điện qua nước.
Trong nước tinh khiết ở cực âm tích điện âm, một phản ứng khử diễn ra trong đó các electron (e−) từ cực âm được tặng cho các cation hydro để khí hydro hình thành. Ở cực dương tích điện dương, một phản ứng oxy hóa diễn ra, tạo ra khí oxy trong khi cung cấp các electron cho cực dương. Điều này có nghĩa là, nước phản ứng ở cực dương để tạo thành oxy và các ion hydro tích điện dương (proton). Qua đó phương trình cân bằng năng lượng sau đây được hoàn thành:
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (giảm ở cực âm)
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (quá trình oxy hóa tại cực dương)
Phản ứng tổng thể: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
Thông thường, nước kiềm được sử dụng để điện phân để sản xuất hydro. Muối kiềm là hydroxit hòa tan của kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ, trong đó các ví dụ phổ biến là: Natri hydroxit (NaOH, còn được gọi là xút) và kali hydroxit (KOH, còn được gọi là kali ăn da). Đối với tiêu eletcrolysis, chủ yếu là nồng độ dung dịch ăn da 20% đến 40% được sử dụng.

 

 

Tổng hợp siêu âm hydro

Khi khí hydro được sản xuất trong một phản ứng điện phân, hydro được tổng hợp ngay tại tiềm năng phân hủy. Bề mặt của các điện cực là khu vực, nơi sự hình thành hydro xảy ra trên giai đoạn phân tử trong phản ứng điện hóa. Các phân tử hydro tạo mầm ở bề mặt điện cực, do đó sau đó bong bóng khí hydro có mặt xung quanh cực âm. Sử dụng điện cực siêu âm cải thiện trở kháng hoạt động và trở kháng nồng độ và tăng tốc độ tăng của bong bóng hydro trong quá trình điện phân nước. Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng sản xuất hydro siêu âm làm tăng sản lượng hydro hiệu quả.

 

Hiệu ứng siêu âm trên điện phân

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.
 
Tác động siêu âm trên các điện cực

• Loại bỏ tiền gửi từ bề mặt điện cực
• Kích hoạt bề mặt điện cực
• Vận chuyển chất điện giải về phía và cách xa các điện cực

 

Làm sạch siêu âm và kích hoạt bề mặt điện cực

Chuyển khối lượng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, tốc độ và năng suất. Trong các phản ứng điện phân, sản phẩm phản ứng, ví dụ như kết tủa, tích tụ xung quanh cũng như trực tiếp trên các bề mặt điện cực và giảm tốc độ chuyển đổi điện phân của dung dịch tươi sang điện cực. Ultrasonically thúc đẩy quá trình điện phân cho thấy một chuyển khối lượng tăng lên trong các giải pháp số lượng lớn và gần các bề mặt. Rung động siêu âm và cavitation loại bỏ các lớp thụ động từ các bề mặt điện cực và giữ chúng do đó vĩnh viễn hoàn toàn hiệu quả. Hơn nữa, sonification được biết là tăng cường con đường phản ứng bởi các hiệu ứng sonochemical.

Giảm điện áp Ohmic thấp hơn, phản ứng overpotential, và phân hủy tiềm năng

Điện áp cần thiết cho điện phân xảy ra được gọi là tiềm năng phân hủy. Siêu âm có thể làm giảm khả năng phân hủy cần thiết trong quá trình điện phân.

Tế bào điện phân siêu âm

Đối với điện phân nước, đầu vào năng lượng siêu âm, khoảng cách điện cực và nồng độ điện phân là những yếu tố chính ảnh hưởng đến điện phân nước và hiệu quả của nó.
Đối với điện phân kiềm, một tế bào điện phân với dung dịch ăn da nước thường được sử dụng 20%-40% KOH hoặc NaOH. Năng lượng điện được áp dụng cho hai điện cực.
Chất xúc tác điện cực có thể được sử dụng để tăng tốc độ phản ứng. Ví dụ, pt điện cực là thuận lợi như phản ứng xảy ra dễ dàng hơn.
Các bài báo nghiên cứu khoa học báo cáo tiết kiệm năng lượng 10%-25% bằng cách sử dụng điện phân tăng cường ultrasonically của nước.

Máy điện phân siêu âm để sản xuất hydro ở quy mô thí điểm và công nghiệp

Hielscher Ultrasonics’ bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp được xây dựng cho các hoạt động 24/7/365 dưới tải đầy đủ và trong quá trình nhiệm vụ nặng nề.
Bằng cách cung cấp các hệ thống siêu âm mạnh mẽ, sonotrodes được thiết kế đặc biệt (đầu dò), có chức năng như điện cực và máy phát sóng siêu âm cùng một lúc, và lò phản ứng điện phân, Hielscher Ultrasonics phục vụ các yêu cầu cụ thể để sản xuất hydro điện phân. Tất cả các ultrasonicators công nghiệp kỹ thuật số của loạt UIP (UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), và UIP4000hdT (4kW)) là đơn vị siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng điện phân.

Bảng dưới đây cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm: