Sản xuất hydro hiệu quả bằng siêu âm
Hydro là một loại nhiên liệu thay thế được ưu tiên nhờ tính thân thiện với môi trường và không phát thải carbon dioxide. Tuy nhiên, phương pháp sản xuất hydro thông thường chưa đạt hiệu quả để sản xuất hàng loạt một cách kinh tế. Quá trình điện phân nước và các dung dịch nước kiềm được tăng cường bằng siêu âm mang lại sản lượng hydro, tốc độ phản ứng và tốc độ chuyển hóa cao hơn. Điện phân có hỗ trợ siêu âm giúp sản xuất hydro một cách kinh tế và tiết kiệm năng lượng.
Các phản ứng điện hóa được tăng cường bằng siêu âm như điện phân và keo tụ điện hóa cho thấy sự cải thiện về tốc độ phản ứng, tốc độ chuyển hóa và sản lượng.
Đẩy nhanh quá trình sản xuất hydro bằng sức mạnh của siêu âm và điện hóa
Kết hợp hiệu quả của hiện tượng xâm thực siêu âm với độ chính xác của các phản ứng điện hóa để đạt sản lượng hydro cao hơn và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Các hệ thống điện hóa siêu âm tiên tiến của Hielscher tăng cường truyền khối, cải thiện hoạt tính xúc tác và tối ưu hóa bề mặt điện cực để tạo H₂ ổn định với hiệu suất cao.
Lợi ích chính:
- Tăng cường truyền khối: Sóng siêu âm làm giảm độ dày lớp khuếch tán, bảo đảm cung cấp hiệu quả các chất phản ứng đến điện cực.
- Cải thiện độ ổn định của chất xúc tác: Xử lý siêu âm ngăn các hạt nano kết tụ, duy trì hoạt tính xúc tác cao theo thời gian.
- Hiệu quả năng lượng: Tối ưu hóa năng lượng đầu vào bằng cách tận dụng quá trình trộn vi mô và làm sạch bề mặt do hiện tượng xâm thực tạo ra.
Bảo đảm hiện tượng xâm thực ổn định với cường độ cao bằng các bộ xử lý siêu âm đáng tin cậy được thiết kế để sản xuất H₂ liên tục 24/7. Tìm hiểu thông tin chi tiết về các giải pháp siêu âm công suất cao của chúng tôi và trao đổi với các chuyên gia xử lý siêu âm của chúng tôi!
2x bộ xử lý siêu âm mẫu UIP2000hdT với các đầu dò, đóng vai trò là các điện cực, tức là catốt và anốt. Dao động siêu âm và hiện tượng xâm thực thúc đẩy quá trình sản xuất hydro bằng điện hóa.
Tạo hydro hiệu quả bằng xử lý siêu âm
Điện phân nước và các dung dịch nước để tạo hydro là một quy trình đầy triển vọng trong sản xuất năng lượng sạch. Điện phân nước là một quá trình điện hóa trong đó điện năng được sử dụng để phân tách nước thành hai loại khí, cụ thể là hydro (H₂) và oxy (O₂). Để phá vỡ các liên kết H – O – H bằng điện phân, một dòng điện được cho chạy qua nước.
Đối với phản ứng điện phân, dòng điện một chiều được sử dụng để khởi phát một phản ứng vốn không tự diễn ra. Điện phân có thể tạo ra hydro có độ tinh khiết cao bằng một quy trình đơn giản, thân thiện với môi trường, xanh và không phát thải CO₂ vì O₂ là sản phẩm phụ duy nhất.
Trong điện phân nước, việc phân tách nước thành oxy và hydro được thực hiện bằng cách cho dòng điện chạy qua nước.
Trong nước tinh khiết, tại catốt mang điện tích âm, phản ứng khử diễn ra, trong đó các electron (e−) từ catốt được chuyển cho các cation hydro để tạo thành khí hydro. Tại anốt mang điện tích dương, phản ứng oxy hóa diễn ra, tạo ra khí oxy đồng thời chuyển electron cho anốt. Điều này có nghĩa là nước phản ứng tại anốt để tạo thành oxy và các ion hydro mang điện tích dương (proton). Qua đó, phương trình cân bằng năng lượng sau đây được hoàn tất:
2H+ (aq) + 2e– → H₂ (g) (phản ứng khử tại catốt)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– (phản ứng oxy hóa tại anốt)
Phản ứng tổng thể: 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
Nước kiềm thường được sử dụng trong điện phân để sản xuất hydro. Muối kiềm là các hydroxide tan của kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ, với những ví dụ phổ biến là: natri hydroxide (NaOH, còn gọi là xút ăn da) và kali hydroxide (KOH, còn gọi là potash ăn da). Trong điện phân, chủ yếu sử dụng dung dịch kiềm ăn da có nồng độ từ 20% đến 40%.
Sản xuất hydro bằng điện hóa siêu âm tại catốt siêu âm.
Tổng hợp hydro bằng siêu âm
Khi khí hydro được tạo ra trong phản ứng điện phân, hydro được tổng hợp ngay tại thế phân hủy. Bề mặt điện cực là nơi diễn ra sự hình thành hydro ở cấp độ phân tử trong phản ứng điện hóa. Các phân tử hydro tạo mầm trên bề mặt điện cực, sau đó các bọt khí hydro xuất hiện xung quanh catốt. Việc sử dụng điện cực siêu âm cải thiện trở kháng hoạt tính và trở kháng nồng độ, đồng thời đẩy nhanh sự nổi lên của các bọt khí hydro trong quá trình điện phân nước. Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng sản xuất hydro bằng siêu âm làm tăng hiệu quả sản lượng hydro.
- Sản lượng hydro cao hơn
- Hiệu quả năng lượng được cải thiện
➡️ Áp dụng xử lý siêu âm để:
- Tăng cường truyền khối
- Đẩy nhanh quá trình giảm trở kháng tích lũy
- Giảm sụt áp do điện trở thuần
- Giảm quá thế phản ứng
- Giảm thế phân hủy
- Khử khí trong nước / dung dịch nước
- Làm sạch chất xúc tác điện cực
Tác động của siêu âm đối với quá trình điện phân
Điện phân được kích thích bằng siêu âm còn được gọi là điện phân siêu âm. Nhiều yếu tố siêu âm mang bản chất cơ học siêu âm và hóa học siêu âm tác động đến và thúc đẩy các phản ứng điện hóa.
- Sóng siêu âm tạo ra bọt khí
- Các bọt khí sụp đổ
- Nhiệt độ cực cao phân tách các phân tử nước
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân là kết quả của hiện tượng xâm thực và rung động do siêu âm gây ra, bao gồm dòng chảy âm, vi nhiễu loạn, vi tia, sóng xung kích cũng như các hiệu ứng hóa học siêu âm. Xâm thực siêu âm / xâm thực âm xảy ra khi sóng siêu âm cường độ cao được truyền vào chất lỏng. Hiện tượng xâm thực được đặc trưng bởi sự phát triển và sụp đổ của các bọt được gọi là bọt xâm thực. Sự sụp đổ hướng vào trong của bọt tạo ra các lực có cường độ cực lớn, xuất hiện cục bộ. Các lực này bao gồm sự gia nhiệt cục bộ mạnh lên đến 5000K, áp suất cao lên đến 1000 atm và tốc độ gia nhiệt, làm nguội cực lớn (>100k/sec), đồng thời gây ra sự tương tác độc đáo giữa vật chất và năng lượng. Ví dụ, các lực xâm thực này tác động đến các liên kết hydro trong nước và tạo điều kiện phân tách các cụm phân tử nước, từ đó làm giảm mức tiêu thụ năng lượng cho quá trình điện phân.
Tác động của siêu âm lên điện cực
- Loại bỏ cặn bám khỏi bề mặt điện cực
- Hoạt hóa bề mặt điện cực
- Vận chuyển chất điện ly đến và ra khỏi điện cực
Làm sạch và hoạt hóa bề mặt điện cực bằng siêu âm
Truyền khối là một trong những yếu tố then chốt ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, tốc độ chuyển hóa và hiệu suất thu sản phẩm. Trong các phản ứng điện phân, sản phẩm phản ứng, chẳng hạn như kết tủa, tích tụ xung quanh cũng như trực tiếp trên bề mặt điện cực và làm chậm quá trình chuyển hóa điện phân của dung dịch mới tại điện cực. Các quá trình điện phân được thúc đẩy bằng siêu âm cho thấy khả năng truyền khối tăng lên trong khối dung dịch và gần các bề mặt. Rung động siêu âm và hiện tượng xâm thực loại bỏ các lớp thụ động hóa khỏi bề mặt điện cực, nhờ đó duy trì liên tục hiệu quả hoạt động tối đa của điện cực. Ngoài ra, xử lý siêu âm còn được biết đến với khả năng tăng cường các con đường phản ứng thông qua các hiệu ứng hóa học siêu âm.
Giảm sụt áp do điện trở thuần, quá thế phản ứng và thế phân hủy
Điện áp cần thiết để quá trình điện phân xảy ra được gọi là thế phân hủy. Siêu âm có thể làm giảm thế phân hủy cần thiết trong các quá trình điện phân.
Buồng điện phân siêu âm
Đối với quá trình điện phân nước, năng lượng siêu âm đầu vào, khoảng cách giữa các điện cực và nồng độ chất điện ly là những yếu tố then chốt ảnh hưởng đến quá trình điện phân nước và hiệu quả của quá trình này.
Đối với điện phân kiềm, người ta sử dụng buồng điện phân chứa dung dịch kiềm ăn da trong nước, thường là KOH hoặc NaOH ở nồng độ 20%–40%. Điện năng được cấp cho hai điện cực.
Có thể sử dụng chất xúc tác điện cực để tăng tốc độ phản ứng. Ví dụ, điện cực Pt có lợi vì phản ứng diễn ra dễ dàng hơn.
Các bài báo nghiên cứu khoa học báo cáo mức tiết kiệm năng lượng 10%–25% khi sử dụng quá trình điện phân nước được thúc đẩy bằng siêu âm.
Thiết bị điện phân siêu âm để sản xuất hydro ở quy mô thí điểm và công nghiệp
Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics được chế tạo để vận hành 24/7/365 ở mức đầy tải và trong các quy trình công suất lớn.
Bằng cách cung cấp các hệ thống siêu âm bền bỉ, các đầu sonotrode (đầu dò) được thiết kế đặc biệt để đồng thời đóng vai trò điện cực và bộ truyền sóng siêu âm, cùng các thiết bị phản ứng điện phân, Hielscher Ultrasonics đáp ứng các yêu cầu cụ thể của việc sản xuất hydro bằng điện phân. Tất cả các thiết bị siêu âm công nghiệp kỹ thuật số thuộc dòng UIP (UIP500hdT (500 oát), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), và UIP4000hdT (4kW)) đều là các thiết bị siêu âm hiệu suất cao dành cho các ứng dụng điện phân.
Đầu dò siêu âm của UIP2000hdT đóng vai trò anốt. Sóng siêu âm được áp dụng tăng cường quá trình tổng hợp hydro bằng điện phân.
Bảng dưới đây cung cấp thông tin tổng quan về các thiết bị siêu âm và điện cực siêu âm của chúng tôi để tạo H₂ bằng phương pháp điện hóa – từ phòng thí nghiệm nghiên cứu đến sản xuất:
| Thiết bị siêu âm | Công suất siêu âm | Thể tích |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Ống Falcon |
| UP100H | 100W | 10 đến 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 đến 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0,2 đến 4L/min |
Tối ưu hóa sản lượng hydro của bạn bằng xử lý siêu âm!
Buồng điện hóa siêu âm giúp cải thiện quá trình tổng hợp H2
Câu hỏi thường gặp – Sản xuất hydro bằng điện hóa siêu âm
Hydro là gì?
Hydro là nguyên tố hóa học có ký hiệu H và số hiệu nguyên tử 1. Với nguyên tử khối chuẩn 1,008, hydro là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn. Hydro là chất hóa học phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm khoảng 75% tổng khối lượng baryon. H₂ là chất khí hình thành khi hai nguyên tử hydro liên kết với nhau tạo thành một phân tử hydro. H₂ còn được gọi là hydro phân tử và là một phân tử hai nguyên tử đồng hạt nhân. Phân tử này gồm hai proton và hai electron. Với điện tích trung hòa, hydro phân tử ổn định và do đó là dạng hydro phổ biến nhất.
Khi hydro được sản xuất ở quy mô công nghiệp, reforming khí tự nhiên bằng hơi nước là phương pháp sản xuất được sử dụng rộng rãi nhất. Một phương pháp thay thế là điện phân nước. Phần lớn hydro được sản xuất gần nơi sử dụng sau đó, ví dụ như gần các cơ sở chế biến nhiên liệu hóa thạch (chẳng hạn như cơ sở hydrocracking) và các nhà sản xuất phân bón từ amoniac.
Tổng hợp hydro bằng điện hóa siêu âm là gì?
Tổng hợp bằng điện hóa siêu âm là một kỹ thuật kết hợp hiện tượng xâm thực siêu âm với quá trình phân tách nước bằng điện hóa. Bằng cách áp dụng sóng âm tần số cao – tức là siêu âm – vào thiết bị phản ứng điện hóa, quá trình này tăng cường truyền khối, làm sạch bề mặt điện cực và cải thiện hiệu suất tổng thể của quá trình tạo hydro so với điện phân truyền thống.
Siêu âm cải thiện sản lượng hydro trong quá trình điện phân như thế nào?
Siêu âm cải thiện quá trình tạo hydro chủ yếu thông qua hiện tượng xâm thực âm. Sự hình thành và sụp đổ của các bọt khí cực nhỏ tạo ra dòng rối vi mô mạnh, làm giảm độ dày của lớp khuếch tán tại bề mặt điện cực. Điều này đảm bảo cung cấp các chất phản ứng đến chất xúc tác nhanh hơn và giúp loại bỏ các bọt khí hydro hiệu quả hơn, ngăn chặn hiện tượng “che chắn bởi khí” và cho phép đạt mật độ dòng điện cao hơn.
Sử dụng thiết bị siêu âm công nghiệp để tổng hợp hydro có những ưu điểm gì?
Việc sử dụng các thiết bị xử lý siêu âm cường độ cao như UIP2000hdT thuộc dòng UIP cấp công nghiệp của Hielscher mang lại một số ưu điểm:
- Tăng cường hoạt tính xúc tác: Xử lý siêu âm ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano, duy trì hoạt tính cao của các chất xúc tác (như Pt, TiO₂ hoặc Ni).
- Làm sạch điện cực: Siêu âm liên tục làm sạch bề mặt điện cực, giảm sự phân cực và kéo dài tuổi thọ của các bộ phận trong thiết bị phản ứng.
- Khả năng mở rộng quy mô: Các hệ thống này được thiết kế để vận hành liên tục 24/7, phù hợp cho cả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và sản xuất hydro ở quy mô công nghiệp.
Hiện tượng xâm thực có vai trò gì trong các phản ứng điện hóa siêu âm?
Xâm thực âm học là cơ chế cốt lõi trong điện hóa siêu âm. Khi sóng siêu âm truyền qua chất lỏng, chúng tạo ra các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp xen kẽ. Trong chu kỳ áp suất thấp, các bọt chân không nhỏ hình thành và phát triển; trong chu kỳ áp suất cao, chúng sụp đổ vào trong. Sự sụp đổ này tạo ra nhiệt độ và áp suất cực cao cục bộ, có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học và cải thiện đáng kể sự tiếp xúc giữa các điện cực và chất điện ly.
Có thể sử dụng điện hóa siêu âm với các nguồn năng lượng tái tạo không?
Có. Các hệ thống điện hóa siêu âm có thể được tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời hoặc điện gió. Khả năng hoạt động hiệu quả ở các mức công suất khác nhau của các thiết bị xử lý siêu âm giúp chúng rất phù hợp với các nguồn cung cấp năng lượng gián đoạn, có khả năng làm giảm dấu chân carbon của quá trình sản xuất hydro xanh.
Sản xuất hydro bằng điện hóa siêu âm khác gì so với phương pháp reforming metan bằng hơi nước truyền thống?
Khác với phương pháp reforming metan bằng hơi nước (SMR), vốn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và thải ra lượng CO₂ đáng kể, quá trình tổng hợp điện hóa siêu âm thường sử dụng nước làm nguyên liệu đầu vào. Mặc dù SMR hiện đã được ứng dụng rộng rãi hơn, điện hóa siêu âm mang lại một giải pháp thay thế sạch hơn, “xanh”, có thể vận hành bằng điện tái tạo, khiến phương pháp này trở thành một công nghệ then chốt cho nền kinh tế hydro bền vững.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- 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.
- José González-García, Ludovic Drouin, Craig E. Banks, Biljana Šljukić, Richard G. Compton (2007): At point of use sono-electrochemical generation of hydrogen peroxide for chemical synthesis: The green oxidation of benzonitrile to benzamide. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 14, Issue 2, 2007. 113-116.
- 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.