Analysis of the effect of saturation gas, solution temperature and concentration on OH radical formation by ultrasonic irradiation for hydrogen production optimization

Abstract

Det er et økende behov for å forbedre måten vi produserer og bruker energi, ettersom jorden blir mindre og mindre beboelig med tradisjonelle metoder. I denne forbindelse har bruken av hydrogen som en ren energibærer blitt særlig relevant. Produksjon av hydrogen er fortsatt dyrt og lite miljøvennlig. Dette forventes imidlertid å endres i de kommende årene. Et av områdene som blir undersøkt for en mer effektiv hydrogenproduksjon er bruken av høyintensitets ultralyd. Selv om denne teknologien fortsatt trenger mer forskning, har den allerede vist lovende resultater. Anvendelsen av ultralyd på en vannløsning kan føre til syntetisering av hydrogen, samt forbedring av masseoverføring i en elektrokjemisk prosess som elektrolyse. I denne masteroppgaven brukes Weissler og Fricke dosimetri for å karakterisere dannelsen av hydroksylradikaler ved ultralydsstråling ved hjelp av en enkel ultralydgenerator med 24 kHz frekvens. Betydningen av en økt menge OH-radikaler er knyttet til deres innvirkning på hydrogenproduksjonen, ettersom disse partiklene kan reagere med andre til å danne hydrogengass. Effektene av forskjellige oppløste gasser (argon, nitrogen og luft) og løsningens temperatur har blitt undersøkt, med det formål å analysere innvirkningen på dannelsen av OH-radikaler. Effekten av KI-konsentrasjon med Weissler dosimetri analyseres også. I tillegg diskuteres den mest hensiktsmessige kombinasjonen av disse parameterne for å oppnå økt produksjon av OH-radikaler og potensielt hydrogen. Det gis også en oversikt over hovedmekanismene til høyintensitets ultralyd og sammenhengen med sonokjemisk hydrogenproduksjon, inkludert en oversikt over de mest vanlige dosimetrimetodene.

There is an increasing need to improve the way we obtain and use energy, as with traditional methods planet Earth is becoming less and less habitable. In this regard, the use of hydrogen as a clean energy vector has acquired special relevance nowadays. The production of hydrogen is still expensive and mostly not environmentally friendly; however, it is expected to change in the coming years. One of the areas being investigated for a better and cleaner production of hydrogen is the use of power ultrasound. Although this technology still needs further research, it has already shown promising results. The application of ultrasound to an aqueous solution can certainly lead to synthesize hydrogen, as well as improving mass transfer in an electrochemical process such as electrolysis. In this master’s thesis, Weissler and Fricke dosimetry methods are used in order to characterize the formation of hydroxyl radicals by ultrasonic radiation using a simple 24 kHz frequency ultrasound generator. The importance of a greater quantity of OH radicals lies in their impact in hydrogen production, since these particles can interact with others to form this element. The effects of different dissolved gases (argon, nitrogen and air) are analyzed, as well as the effect of the initial temperature of the solution with the purpose to analyze its impact on the formation of OH radicals. The effect of the concentration of KI with the Weissler dosimetry is also analyzed. It is discussed the most suitable combination of these parameters that enhance OH radical obtention and potentially, hydrogen production. An overview is also provided about the main mechanisms of power ultrasound and its relation to sonochemical production of hydrogen, including an outline of the main dosimetry methods.