Sản xuất hydro hiệu quả với siêu âm

Hydro là một loại nhiên liệu thay thế được ưa chuộng hơn do thân thiện với môi trường và không phát thải carbon dioxide. Tuy nhiên, việc tạo ra hydro thông thường không hiệu quả để sản xuất hàng loạt tiết kiệm. Quá trình điện phân nước và dung dịch nước kiềm được thúc đẩy bằng siêu âm dẫn đến năng suất hydro, tốc độ phản ứng và tốc độ chuyển đổi cao hơn. Điện phân hỗ trợ siêu âm giúp sản xuất hydro tiết kiệm và tiết kiệm năng lượng.
Các phản ứng điện hóa được thúc đẩy bằng sóng siêu âm như điện phân và điện đông cho thấy tốc độ, tốc độ và năng suất phản ứng được cải thiện.

Tạo 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 tác dụng để tách nước thành hai khí, cụ thể là hydro (H2) và oxy (O2). Để cắt H – O – H liên kết bằng cách điện phân, một dòng điện 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 khác. Điện phân có thể tạo ra hydro có độ tinh khiết cao trong một quy trình đơn giản, thân thiện với môi trường, xanh với không phát thải CO2 vì O2 là sản phẩm phụ duy nhất.

 
Về quá trình điện phân nước, quá trình phân tách nước thành oxy và hydro đạt được bằng cách truyền dòng điện qua nước.
Trong nước tinh khiết ở cực âm mang điện tích 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. Tại 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 hoàn thành phương trình cân bằng năng lượng sau:
 
2h⁺ (AQ) + 2e^– → H₂ (g) (giảm ở cực âm)
2h₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (AQ) + 4e^– (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 tạo ra trong phản ứng điện phân, hydro được tổng hợp ngay ở điện thế phân hủy. Bề mặt của điện cực là khu vực, nơi sự hình thành hydro xảy ra ở giai đoạn phân tử trong quá trình phản ứng điện hóa. Các phân tử hydro tạo nhân tại bề mặt điện cực, do đó sau đó các bong bóng khí hydro hiện diện xung quanh cực âm. Sử dụng điện cực siêu âm cải thiện trở kháng hoạt động và trở kháng nồng độ, đồng thời đẩy nhanh sự gia 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 một cách hiệu quả.

 

Hiệu ứng siêu âm đối với 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 lên các điện cực

• Loại bỏ cặn bẩn trên bề mặt điện cực
• Kích hoạt bề mặt điện cực
• Vận chuyển chất điện phân về phía và ra khỏi điện cực

 

Làm sạch siêu âm và kích hoạt bề mặt điện cực

Truyền 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 bề mặt điện cực và làm giảm tốc độ chuyển đổi điện phân của dung dịch tươi thành điện cực. Các quá trình điện phân được thúc đẩy bằng sóng siêu âm cho thấy sự truyền khối lượng tăng lên trong dung dịch số lượng lớn và gần bề mặt. Rung động và xâm thực siêu âm loại bỏ các lớp thụ động khỏi bề mặt điện cực và giữ cho chúng hoạt động hiệu quả vĩnh viễn. Hơn nữa, sonification được biết là tăng cường các con đường phản ứng bằng các hiệu ứng sonchemical.

Giảm điện áp ohmic thấp hơn, quá thế phản ứng và tiềm năng phân hủy

Điện áp cần thiết để điện phân xảy ra được gọi là điện thế phân hủy. Siêu âm có thể làm giảm điện thế 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, khe hở điện cực và nồng độ chất điện phân là những yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình điện phân nước và hiệu quả của nó.
Đối với điện phân kiềm, một tế bào điện phân với dung dịch nước ăn da thường là 20% -40% KOH hoặc NaOH được sử dụng. 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, điện cực Pt thuận lợi vì 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 siêu âm thúc đẩy nước.

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

Hielscher Siêu âm’ Bộ xử lý siêu âm công nghiệp được chế tạo cho hoạt động 24/7/365 dưới đầy tải và trong các quy trình hạng nặng.
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 các lò phản ứng điện phân, Hielscher Ultrasonics đáp ứng các yêu cầu cụ thể đối với sản xuất hydro điện phân. Tất cả các máy siêu âm công nghiệp kỹ thuật số của dòng UIP (UIP500hdt (500 watt), UIP1000hdt (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), và UIP4000hdt (4kW)) là các thiết bị siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng điện phân.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: