لکترولیز با کمک اولتراسونیک، تولید هیدروژن را به صرفه و اقتصادی می کند. واکنشهای الکتروشیمیایی ترویج شده توسط التراسونیک مانند الکترولیز و لخته سازی الکتریکی[1] سرعت ، نرخ و بازده واکنش را بهبود می بخشد.

هیدروژن، سوخت جایگزینی است که به دلیل سازگاری با محیط زیست و انتشار دی اکسید کربن صفر، ترجیح داده می شود. با این حال، تولید هیدروژن معمولی برای تولید انبوه اقتصادی با بازده بالا نیست. الکترولیز آب و محلول های آب قلیایی با التراسونیک باعث افزایش عملکرد هیدروژن، سرعت واکنش و سرعت تبدیل می شود.

تولید هیدروژن با بازده بالا با فراصوت الکترولیز آب و محلول های آبی به منظور تولید هیدروژن یک روند امیدوار کننده برای تولید انرژی پاک است. الکترولیز آب یک فرآیند الکتروشیمیایی است که در آن برق برای تقسیم آب به دو گاز یعنی هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2) اعمال می شود. به منظور شکاف پیوندهای H – O – H توسط الکترولیز، جریان الکتریکی از طریق آب عبور می کند. الکترولیز می تواند هیدروژن با خلوص بالا را در یک فرآیند ساده ، دوستدار محیط زیست و سبز با انتشار CO2 صفر تولید کند زیرا O2 تنها محصول جانبی است.

سامانه تولید هیدروژن با کمک التراسونیک

پردازنده های اولتراسونیک FAPAN 1200 UPS با 2 پروب ، که به عنوان الکترود عمل می کنند ، یعنی کاتد و آند. میدان اولتراسونیک باعث تشدید سنتز الکترولیتی هیدروژن از آب یا محلول های آبی می شود.

در مورد الکترولیز آب، تقسیم آب به اکسیژن و هیدروژن با عبور جریان الکتریکی از آب حاصل می شود. در آب خالص در کاتد با بار منفی ، واکنش کاهشی اتفاق می افتد که الکترونها (e−) از کاتد به کاتیونهای هیدروژن اهدا می شوند تا گاز هیدروژن تشکیل شود. در آند با بار مثبت ، یک واکنش اکسیداسیون اتفاق می افتد ، که در عین دادن الکترون به آند ، گاز اکسیژن تولید می کند. این بدان معناست که، آب در آند واکنش داده و اکسیژن و یون های هیدروژن با بار مثبت (پروتون ها) تشکیل می دهد. بدین ترتیب معادله تعادل انرژی زیر تکمیل می شود:

غالباً برای تولید هیدروژن از آب قلیایی برای الکترولیز استفاده می شود. نمک های قلیایی هیدروکسیدهای محلول فلزات قلیایی و فلزات قلیایی هستند که نمونه های متداول آن عبارتند از: هیدروکسید سدیم((NaOH، همچنین به عنوان “سود سوز آور” شناخته می شود) و هیدروکسید پتاسیم (KOH ، همچنین به عنوان “پتاس سوز آور” شناخته می شود). برای الکترولیز، عمدتا از غلظت های 20 تا 40 درصد محلول سوز آور استفاده می شود).

سنتز اولتراسونیک هیدروژن

هنگامی که گاز هیدروژن در یک واکنش الکترولیتی تولید می شود، هیدروژن درست در پتانسیل تجزیه سنتز می شود. سطح الکترودها ناحیه ای است که تشکیل هیدروژن در مرحله مولکولی در طی واکنش الکتروشیمیایی رخ می دهد. مولکول های هیدروژن در سطح الکترود هسته زایی می شوند، به طوری که متعاقباً حباب های گاز هیدروژن در اطراف کاتد وجود دارد. استفاده از الکترودهای اولتراسونیک باعث بهبود امپدانس های فعالیت و امپدانس غلظت و تسریع در افزایش حباب های هیدروژن در حین الکترولیز آب می شود. چندین مطالعه نشان داد که تولید هیدروژن فراصوت عملکرد هیدروژن را به طور موثر افزایش می دهد.

مزایای التراسونیک در الکترولیز هیدروژن

  • بازده بالاتر هیدروژن
  • بهره وری انرژی بهبود یافته

 در نتیجه تابش فراصوت:

  • افزایش انتقال جرم
  • شتاب گرفتن  کاهش امپدانس انباشته
  • کاهش افت ولتاژ اهمی
  • کاهش واکنش بالقوه
  • کاهش تجزیه پتانسیل گاز / محلول آبی
  • تمیز کردن کاتالیزورهای الکترود

اثرات التراسونیک بر الکترولیز

 الکترولیز برانگیخته شده با فراصوت به عنوان سونوالکترولیز نیز شناخته می شود. عوامل مختلف مافوق صوت از طبیعت سونومکانیک و سونوشیمیایی تأثیر می گذارند و واکنش های الکتروشیمیایی را تقویت می کنند. این عوامل تأثیرگذار در الکترولیز در نتایج حفره زایی و لرزش ناشی از تابش فراصوت هستند و شامل جریان صوتی ، تلاطم های میکرونی، میکروجت ها ، امواج شوک و همچنین اثرات سونوشیمیایی هستند.

حفره اولتراسونیک/ صوتی هنگامی اتفاق می افتد که امواج اولتراسوند با شدت زیاد به مایع متصل شوند. پدیده کاویتاسیون با رشد و فروپاشی حباب های به اصطلاح کاویتاسیون مشخص می شود. انفجار حباب توسط نیروهای بسیار شدید ، محلی اتفاق می افتد. این نیروها شامل گرمایش شدید محلی تا 5000 کلوین، فشارهای زیاد تا 1000 اتمسفر و نرخ گرمایش و سرمایش بسیار زیاد (10 10 کلوین در ثانیه) هستند و برهم کنش بی نظیری بین ماده و انرژی ایجاد می کنند. به عنوان مثال، این نیروهای حفره ای پیوندهای هیدروژنی موجود در آب را از بین می برند و باعث تقسیم خوشه های آب می شوند که متعاقباً منجر به کاهش مصرف انرژی برای الکترولیز می شود. تأثیر التراسونیک بر روی الکترودها از بین بردن رسوبات از سطح الکترود فعال سازی سطح الکترود انتقال الکترولیت ها به سمت و خارج از الکترودها تمیز کردن و فعال سازی سطوح انتقال جرم یکی از عوامل مهم در سرعت، کیفیت و بازده واکنش است. در طول واکنشهای الکترولیتی، محصول واکنش، به عنوان مثال رسوب می کند ، در اطراف و همچنین مستقیماً روی سطح الکترود تجمع می یابد و تبدیل الکترولیتی محلول تازه به الکترود را کند می کند. فرآیندهای الکترولیتی بهبود یافته توسط التراسونیک، افزایش جرم در محلول فله و نزدیک به سطوح را نشان می دهد. لرزش و حفره اولتراسونیک لایه های انفعال را از سطح الکترود برطرف می کند و در نتیجه آنها را برای همیشه با بازده بالا نگه می دارد. علاوه بر این، فراصوت سازی برای افزایش مسیرهای واکنش توسط اثرات شیمیایی شناخته شده است. افت ولتاژ اهمی پایین، پتانسیل واکنش بیش از حد و پتانسیل تجزیه ولتاژ مورد نیاز برای الکترولیز به عنوان پتانسیل تجزیه شناخته می شود. تابش فراصوت می تواند پتانسیل تجزیه لازم را در فرآیندهای الکترولیز کاهش دهد.

سلول الکترولیز التراسونیک برای الکترولیز آب، ورودی انرژی التراسونیک ، شکاف الکترود و غلظت الکترولیت عوامل کلیدی هستند که بر الکترولیز آب و کارایی آن تأثیر می گذارند. برای الکترولیز قلیایی، از یک سلول الکترولیز با محلول آبی سود معمولاً 20٪ -40٪ KOH یا NaOH استفاده می شود. انرژی الکتریکی به دو الکترود اعمال می شود. برای تسریع سرعت واکنش می توان از کاتالیزورهای الکترود استفاده کرد. به عنوان مثال، الکترودهای Pt مطلوب هستند زیرا واکنش با سهولت بیشتری رخ می دهد. مقالات تحقیقات علمی با استفاده از الکترولیز آب که توسط مافوق صوت ترویج می شود ، 10٪ -25٪ صرفه جویی در انرژی را گزارش می کنند.

حقایقی که باید بدانید هیدروژن چیست؟

هیدروژن عنصر شیمیایی با نماد H و شماره اتمی 1 است. با وزن اتمی استاندارد 1.008 ، هیدروژن سبک ترین عنصر در جدول تناوبی است. هیدروژن فراوان ترین ماده شیمیایی جهان است که تقریباً 75٪ از کل جرم باریونی را تشکیل می دهد. H2 گازی است که وقتی دو اتم هیدروژن به هم پیوند می خورند و به یک مولکول هیدروژن تبدیل می شود ، تشکیل می شود. H2 هیدروژن مولکولی نیز نامیده می شود و یک مولکول دو هسته ای است. از دو پروتون و دو الکترون تشکیل شده است. هیدروژن مولکولی با داشتن بار خنثی پایدار است و در نتیجه رایج ترین شکل هیدروژن است. وقتی هیدروژن در مقیاس صنعتی تولید می شود ، گاز طبیعی اصلاح کننده بخار پرکاربردترین فرم تولید است. یک روش جایگزین الکترولیز آب است. بیشتر هیدروژن در نزدیکی محل استفاده نهایی خود تولید می شود، به عنوان مثال، در نزدیکی تاسیسات پردازش سوخت فسیلی (به عنوان مثال ، هیدروكراك) و تولید كننده های کود پایه آمونیاك.


  [1] لخته‌سازی الکتریکی فرایندی الکتروشیمیایی است که در آن از یون‌های لخته‌کننده‌ای که از یک الکترود فدا شونده و مصرفی تولید می‌شوند برای انعقاد پساب‌ها استفاده می‌شود. این روش می‌تواند گستره وسیعی از مخلوط‌ها و مواد شیمیایی را از آب‌ها و پساب‌ها بزداید.