- فروردین 1404
- زمان مطالعه: 15 دقیقه
آنچه در این مقاله می‌خوانید
تولید هیدروژن
هیدروژن در صنایع مختلفی نظیر صنایع شیمیایی (تولید آمونیاک برای تولید کود شیمیایی)، صنایع پتروشیمی (حذف ناخالصی نظیر گوگرد در پالایش نفت)، سوخت خودرو، صنایع غذایی (هیدروژنه کردن روغن)، صنایع فضایی (سوخت موشک)، تولید برق (پیل سوختی) و غیره کاربرد دارد. روش‌های متعددی برای تولید هیدروژن وجود دارد که مطابق شکل زیر به آن هیدروژن خاکستری، هیدروژن آبی و هیدروژن سبز اطلاق می‌شود.
در روش تولید هیدروژن خاکستری از گاز طبیعی برای تولید هیدروژن استفاده می‌شود که منجر به تولید گازهای گلخانه‌ای می‌گردد. این امر در تولید هیدروژن آبی نیز وجود دارد. در مقابل، تولید هیدروژن، از طریق روش‌های سبز مانند الکترولیز آب با استفاده از انرژی تجدیدپذیر، می‌تواند به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و کاهش آلودگی محیط زیست کمک کند. این امر در همخوانی با تکنولوژی التراسونیک توان بالا است که خود به عنوان یک تکنولوژی سبز بوده و شرکت فراصوت تجهیز ایرانیان، به عنوان تولیدکننده تجهیزات و الکترودهای التراسونیک در ایران به این زمینه فعالیت ورود کرده و محصولات متناسب با آن ساخته است.
مطابق دانش و تجربیات، استفاده از امواج التراسونیک در فرآیند تولید هیدروژن دارای اثرات مثبتی است. استفاده از امواج اولتراسونیک توان بالا در الکترولیز آب در تلفیق با انرژی تجدیدپذیر جهت تامین الکتریسیته مورد نیاز (مانند انرژی خورشیدی یا بادی) می‌تواند به تولید هیدروژن سبز با بازده بالا منجر شود. در تصویر زیر کلیت این پدیده نشان داده شده است.
ایجاد پدیده کاویتاسیون در اثر عبور امواج التراسونیک از محیط مایع و افزایش انتقال جرم و حرارت، به بهبود فرآیندهای مختلف مرتبط با تولید هیدروژن کمک می‌کنند. در ادامه برخی از تاثیرات امواج التراسونیک بر تولید هیدروژن ارائه می‌گردد.
روش الکترولیز آب
الکترولیز آب یکی از روش‌های رایج برای تولید هیدروژن است. امواج فراصوت توان بالا با ایجاد کاویتاسیون، منجر به آزادسازی مقدار زیادی انرژی در آب شده و علاوه بر آن جریان‌های آکوستیکی ایجاد می‌کنند. در تصویر زیر مراحل ایجاد و انفجار حباب‌های کاویتاسیون نشان داده شده است.
نحوه تشکیل میکروجت‌های ناشی از انفجار حباب‌های کاویتاسیون در تصویر زیر نشان داده شده است. این امر منجر به اختلاط بهتر و کاهش مقاومت الکتریکی در سطح الکترودها شده و بازده فرآیند الکترولیز را افزایش می‌دهد.
همچنین در فرآیند الکترولیز، گازهای هیدروژن و اکسیژن روی سطح الکترودها تشکیل می‌شوند و می‌توانند مانع تماس الکترولیت با الکترودها شوند. امواج التراسونیک توان بالا این لایه‌های گاز را از بین می‌برند و سطح فعال الکترودها و در نتیجه سرعت واکنش را افزایش می‌دهند. علاوه بر این جداسازی بهتر گازهای هیدروژن و اکسیژن منجر به دستیابی به گاز هیدروژن با خلوص بالاتر می‌گردد.
همچنین تلاطم ایجاد شده در مایع موجب سهولت انتقال یون و مولکول‌ها شده و در نتیجه سرعت واکنش‌های الکتروشیمیایی افزایش می‌یاید. همچنین تحت ضربات امواج التراسونیک رسوبات تشکیل شده روی الکترودها جدا شده و در نتیجه عمر الکترودها نیز بهبود می‌یابد. در نتیجه در این فرآیند ولتاژ کاری مورد نیاز کاهش یافته و منجر به کاهش مصرف انرژی و افزایش راندمان فرآیند می گردد.
پارامترهایی که در این فرآیند موثر هستند شامل:
- دامنه ارتعاشی و فرکانس امواج التراسونیک
- مدت زمان اعمال امواج
- شدت امواج التراسونیک
- نوع الکترولیت و نوع الکترود (پلاتین یا نیکل با سطح فعال بیشتر)
این پارامترها در مشاوره با تیم تخصصی شرکت فراصوت تجهیز ایرانیان تعیین می‌گردد.
روش ریفرمینگ (اصلاح) بخار
ریفرمینگ بخار با متان از رایج‌ترین و مهم‌ترین فرآیندهای تولید هیدروژن است که در محدوده دمایی 700 تا 900 درجه سانتیگراد و با حضور یک کاتالیزور انجام می‌شود. فرآیند به صورت زیر است:
همچنین مونواکسید کربن با بخار واکنش داده و منجر به تولید هیدروژن می‌شود:
رفرمینگ بخار (اصلاح بخار) به‌عنوان یک فناوری کلیدی در صنایع شیمیایی و انرژی شناخته می‌شود، اما به دلیل انتشار گازهای گلخانه‌ای، تلاش‌هایی برای جایگزینی آن با روش‌های سبز مانند الکترولیز آب با استفاده از انرژی تجدیدپذیر در حال انجام است. دمای بالای فرآیند مشکلاتی مانند افزایش هزینه‌ها، تشکیل کک (کربن جامد) روی کاتالیست و افزایش نگرانی‌های ایمنی را بهوجود میآورد.
استفاده از امواج التراسونیک یا فراصوت توان بالا می‌تواند با ایجاد اختلاط بهتر و افزایش سطح تماس بین فازها، به بهبود انتقال جرم و حرارت کم کرده و در نتیجه سرعت واکنش افزایش یابد. همچنین، امواج اولتراسونیک می‌تواند با فعال‌سازی کاتالیزورها و بهبود انتقال حرارت، دمای مورد نیاز برای واکنش را کاهش دهد. درجایگاه مقابل، امواج فراصوت با فعال‌تر کردن سطح کاتالیزورها، از تجمع کک روی سطح کاتالیزور جلوگیری کنند. این موضوع باعث افزایش عمر کاتالیزور و کاهش هزینه‌های تعویض آن می‌شود. در نتیجه می‌توان گفت به کارگیری التراسونیک در فرآیند رفرمینگ بخار موجب کاهش مصرف انرژی بدلیل کاهش دمای فرآیند، کاهش هزینه‌های عملیاتی بدلیل افزایش عمر کاتالیزور، کاهش تولید آلاینده با کاهش تشکیل کک و افزایش بازدهی تولید هیدروژن بدلیل بهبود فرآیند اختلال و انتقال جرم می‌شود. شرکت فراصوت تجهیز ایرانیان تجهیزات مناسب این فرآیند را ارائه می‌دهد.
تولید هیدروژن زیستی
فرآیند تولید هیدروژن زیستی یکی از روش‌های دوستدار محیط زیست است که در آن از میکروارگانیسم‌ها برای تجزیه مواد آلی و تولید هیدروژن استفاده می‌شود. این رویه به دو حالت قابل اجرا است. در حالت فتوسنتز میکروبی، باکتری‌های فتوسنتزکننده از انرژی نور خورشید در شرایط بی‌هوازی برای تجزیه مواد آلی و تولید هیدروژن استفاده می‌کنند. در حالت دوم، باکتری‌های بی‌هوازی مواد آلی را بدون حضور نور و اکسیژن تجزیه کرده و هیدروژن تولید می‌کنند. این روش در مقایسه با روشهایی نظیر رفرمینگ بخار بازده کمتری دارد. همچنین فراهم کردن شرایط رخداد واکنش نظیر شرایط بی‌هوازی می‌تواند سخت باشد.
در این روش تولید نیز امواج التراسونیک توان بالا با ایجاد اثرات فیزیکی و شیمیایی، می‌توانند بر روی فعالیت میکروارگانیسم‌ها، تجزیه مواد آلی و انتقال جرم موثر باشند. پدیده کاویتاسیون حاصل از عبور امواج التراسونیک از مایع، با ضربات فیزیکی می‌تواند موجب تخریب ساختاهارهای مواد آلی شده و در نتیجه دسترسی میکروارگانیسم‌ها به مواد آلی افزایش می‌یابد. این امر منجر به تسریع فرآیند تجزیه و تولید هیدروژن می‌گردد. مضاف بر آن، امواج التراسونیک منجر به بهبود نرخ انتقال جرم می‌شوند که در تسریع فرآیند موثر است.
شرکت دانش‌بنیان فراصوت تجهیز ایرانیان به عنوان تولیدکننده بزرگترین سبد محصول التراسونیک توان بالا در ایران با داشتن دانش طراحی و ساخت تجهیزات التراسونیک مناسب برای فرآیندهای تولید هیدروژن، می‌تواند به صنایع مختلف فرآیند تولید هیدروژن کمک کند تا راندمان بالاتر، مصرف انرژی کمتر و نرخ واکنش بالاتر را کسب کنند. .
