إنتاج الهيدروجين الكهربائي من حمض الكبريتيك المخفف
ينتج التحليل الكهربي لحمض الكبريتيك المخفف غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين. يقلل Ultrasonication من سمك طبقة الانتشار على سطح القطب ويحسن نقل الكتلة أثناء التحليل الكهربائي. الموجات فوق الصوتية يمكن أن تزيد من معدلات إنتاج غاز الهيدروجين في الخلية الإلكتروليتية ، بشكل كبير.
فيما يلي وصف لإعدادين تجريبيين مع أنود كربون وكاثود من التيتانيوم. لإثبات الآثار الإيجابية للموجات فوق الصوتية على التحليل الكهربائي ، فإن كاثود التيتانيوم هو سونوإلكترود. هذا يضيف الاهتزازات فوق الصوتية والتجويف إلى الإنتاج الإلكتروليتي للهيدروجين والأكسجين من حمض الكبريتيك المخفف. يتم استخدام مزيج من الموجات فوق الصوتية مع الكهرباء في الكيمياء الكهربائية ، التحليل الكهربائي sonoelectrolysis و sonoelectrosynthesis.
وقد تم تجهيز الخالط بالموجات فوق الصوتية Hielscher UP100H (100 واط ، 30 كيلو هرتز) مع ترقية sonoelectrochemical. هذا يسمح باستخدام sonotrode ككاثود أو الأنود في عملية التحليل الكهربائي. لإعدادات التحليل الكهربائي الصناعي ، يرجى النقر هنا!
كاثود سونوكهربي على معالج الموجات فوق الصوتية UP100H
إعداد التحليل الكهربائي للسونو 1 – خلية غير مقسمة من النوع H
يستخدم الإعداد حمض الكبريتيك المخفف (H2SO4 ، 1.0M). تمتلئ خلية غير مقسمة من النوع H بالمنحل بالكهرباء. تعرف هذه الخلية باسم فولتامتر هوفمان. لديها ثلاث أسطوانات زجاجية منتصبة متصلة. الأسطوانة الداخلية مفتوحة في الأعلى للسماح بملء المنحل بالكهرباء. يسمح فتح الصمامات في الجزء العلوي من الأنابيب الخارجية لأي غاز بالهروب أثناء التعبئة. في الخلية الإلكتروليتية ، يتم إغلاق الأقطاب الكهربائية بواسطة حلقات مطاطية وتغمر رأسا على عقب في محلول الماء المحمض. قطب الأنود الموجب مصنوع من الكربون (8 مم). الكاثود السلبي هو سونوإلكترود بالموجات فوق الصوتية التيتانيوم (10 مم ، سونوترود مساحة سطح عالية خاصة ، Hielscher UP100H ، 100 واط ، 30 كيلو هرتز). سونوكرود التيتانيوم وقطب الكربون خامل. لن يحدث التحليل الكهربي إلا عند تمرير الكهرباء عبر محلول حمض الكبريتيك المخفف. لذلك ، يتم توصيل أنود الكربون وكاثود التيتانيوم بمصدر طاقة ثابت الجهد (تيار مباشر).
يجمع غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين الناتج في التحليل الكهربي لحمض الكبريتيك المخفف في الأنابيب الخارجية المتدرجة فوق كل قطب. يزيح حجم الغاز المنحل بالكهرباء في الأنابيب الخارجية ، ويمكن قياس حجم الغاز الإضافي. النسبة النظرية لحجم الغاز هي 2: 1. أثناء التحليل الكهربائي ، تتم إزالة الماء فقط من المنحل بالكهرباء كغاز الهيدروجين وغاز الأكسجين. ومن ثم، يرتفع تركيز حمض الكبريتيك المخفف ارتفاعا طفيفا أثناء التحليل الكهربي.
يوضح الفيديو أدناه التحليل الكهربائي لحمض الكبريتيك المخفف باستخدام الموجات فوق الصوتية النبضية (سعة 100٪ ، وضع الدورة ، 0.2 ثانية ، 0.8 ثانية إيقاف). تم تشغيل كلا الاختبارين عند 2.1 فولت (تيار مستمر ، جهد ثابت).
إعداد التحليل الكهربائي للسونو 2 – دفعة بسيطة
يمتلئ وعاء زجاجي بإلكتروليت من حمض الكبريتيك المخفف (H2SO4 ، 1.0M). في هذه الخلية الإلكتروليتية البسيطة ، يتم غمر الأقطاب الكهربائية في محلول من الماء المحمض. قطب الأنود الموجب مصنوع من الكربون (8 مم). الكاثود السلبي هو سونوإلكترود بالموجات فوق الصوتية التيتانيوم (10mm ، MS10 ، Hielscher UP100H ، 100 واط ، 30 كيلو هرتز). لن يحدث التحليل الكهربي إلا عند تمرير الكهرباء عبر محلول حمض الكبريتيك المخفف. لذلك ، يتم توصيل أنود الكربون وكاثود التيتانيوم بمصدر طاقة ثابت الجهد (تيار مباشر). قطب التيتانيوم وقطب الكربون خاملان. لا يتم جمع غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين الناتج في التحليل الكهربي لحمض الكبريتيك المخفف في هذا الإعداد. يوضح الفيديو أدناه هذا الإعداد البسيط للغاية أثناء التشغيل.
Caution: Video "duration" is missing
ماذا يحدث أثناء التحليل الكهربائي؟
تنجذب أيونات الهيدروجين إلى المهبط السالب. هناك ، يتم اختزال أيون الهيدروجين أو جزيئات الماء إلى جزيئات غاز الهيدروجين عن طريق اكتساب الإلكترون. نتيجة لذلك يتم تفريغ جزيئات غاز الهيدروجين كغاز الهيدروجين. ينتج التحليل الكهربي للعديد من أملاح الفلزات التفاعلية أو المحاليل الحمضية الهيدروجين عند قطب الكاثود السالب.
تنجذب أيونات الكبريتات السالبة أو آثار أيونات الهيدروكسيد إلى المصعد الموجب. أيون الكبريتات نفسه مستقر للغاية ، بحيث لا يحدث شيء. يتم تفريغ أيونات الهيدروكسيد أو جزيئات الماء وأكسدتها عند المصعد لتكوين الأكسجين. تفاعل المصعد الإيجابي هذا هو تفاعل قطب تأكسد بفعل فقدان إلكترون.
لماذا نستخدم حمض الكبريتيك المخفف؟
يحتوي الماء على تركيزات دقيقة من أيونات الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد فقط. هذا يحد من التوصيل الكهربائي. تعمل التركيزات العالية من أيونات الهيدروجين وأيونات الكبريتات من حمض الكبريتيك المخفف على تحسين التوصيل الكهربائي للكهارل. بدلا من ذلك ، يمكنك استخدام محلول إلكتروليت قلوي مثل هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) أو هيدروكسيد الصوديوم (NAOH) والماء. ينتج التحليل الكهربي للعديد من محاليل الأملاح أو حمض الكبريتيك الهيدروجين عند المهبط السالب والأكسجين عند المصعد الموجب. ينتج التحليل الكهربي لحمض الهيدروكلوريك أو أملاح الكلوريد الكلور عند المصعد.
ما هو المحلل الكهربائي؟
المحلل الكهربائي هو جهاز لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين في عملية تعرف باسم التحليل الكهربائي. يستخدم المحلل الكهربائي الكهرباء لإنتاج غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين. يمكن تخزين غاز الهيدروجين كغاز مضغوط أو مسال. الهيدروجين هو حامل للطاقة للاستخدام في خلايا وقود الهيدروجين في السيارات أو القطارات أو الحافلات أو الشاحنات.
يحتوي المحلل الكهربائي الأساسي على كاثود (شحنة سالبة) وأنود (شحنة موجبة) ومكونات طرفية ، مثل المضخات وفتحات التهوية وصهاريج التخزين ومصدر الطاقة والفاصل والمكونات الأخرى. التحليل الكهربي للماء هو تفاعل كهروكيميائي يحدث داخل المحلل الكهربي. يتم تشغيل الأنود والكاثود بواسطة تيار مباشر ويتم تقسيم الماء (H20) إلى مكوناته الهيدروجين (H2) والأكسجين (O2).
الأدب? المراجع
- 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.
- Md H. Islam; Odne S. Burheim; Bruno G.Pollet (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 51, March 2019. 533-555.
- Jayaraman Theerthagiri; Jagannathan Madhavan; Seung Jun Lee; Myong Yong Choi; Muthupandian Ashokkumar; Bruno G. Pollet (2020): Sonoelectrochemistry for energy and environmental applications. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 63, 2020.
- Bruno G. Pollet (2019): Does power ultrasound affect heterogeneous electron transfer kinetics? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 6-12.
- Md Hujjatul Islam; Michael T.Y. Paul; Odne S. Burheim; Bruno G. Pollet (2019): Recent developments in the sonoelectrochemical synthesis of nanomaterials. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 59, 2019.
- 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.
- M.D. Esclapez, V. Sáez, D. Milán-Yáñez, I. Tudela, O. Louisnard, J. González-García (2010): Sonoelectrochemical treatment of water polluted with trichloroacetic acid: From sonovoltammetry to pre-pilot plant scale. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 6, 2010. 1010-1020.
- L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.