إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي بالموجات فوق الصوتية من حمض الكبريتيك المخفف
ينتج التحليل الكهربائي لحمض الكبريتيك المخفف غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين. تقلل المعالجة بالموجات فوق الصوتية سماكة طبقة الانتشار عند سطح القطب وتحسن انتقال الكتلة أثناء التحليل الكهربائي. ويمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية أن تزيد معدلات إنتاج غاز الهيدروجين في خلية التحليل الكهربائي زيادة كبيرة.
فيما يلي وصف لتجهيزين تجريبيين يحتويان على مصعد من الكربون ومهبط من التيتانيوم. ولإظهار التأثيرات الإيجابية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية على التحليل الكهربائي، يُستخدم مهبط التيتانيوم بوصفه قطبًا يعمل بالموجات فوق الصوتية. ويضيف ذلك الاهتزازات فوق الصوتية والتجويف إلى عملية إنتاج الهيدروجين والأكسجين بالتحليل الكهربائي من حمض الكبريتيك المخفف. ويُستخدم الجمع بين الموجات فوق الصوتية والكهرباء في الكيمياء الكهربائية بالموجات فوق الصوتية، والتحليل الكهربائي بالموجات فوق الصوتية، والتخليق الكهربائي بالموجات فوق الصوتية.
مجانس Hielscher بالموجات فوق الصوتية UP100H (100 واط، 30kHz) مزود بتجهيز إضافي للكيمياء الكهربائية بالموجات فوق الصوتية. ويتيح ذلك استخدام السونوترود بوصفه مهبطًا أو مصعدًا في عملية تحليل كهربائي. للاطلاع على تجهيزات التحليل الكهربائي بالموجات فوق الصوتية للاستخدام الصناعي، يرجى النقر هنا!
مهبط كهربائي يعمل بالموجات فوق الصوتية على جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP100H
تجهيز التحليل الكهربائي بالموجات فوق الصوتية 1 – خلية غير مقسمة من النوع H
يستخدم هذا التجهيز حمض الكبريتيك المخفف (H2SO4, 1.0M). وتُملأ خلية غير مقسمة من النوع H بالإلكتروليت. وتُعرف هذه الخلية باسم فولتميتر هوفمان. وهي تتكون من ثلاث أسطوانات زجاجية رأسية متصلة ببعضها. والأسطوانة الوسطى مفتوحة من الأعلى للسماح بملئها بالإلكتروليت. ويسمح فتح الصمامات في أعلى الأنبوبين الخارجيين بخروج أي غاز أثناء الملء. وفي خلية التحليل الكهربائي، تُحكم الأقطاب بحلقات مطاطية وتُغمر مقلوبة في محلول الماء المُحمَّض. وقطب المصعد الموجب مصنوع من الكربون (8mm). أما المهبط السالب فهو قطب من التيتانيوم يعمل بالموجات فوق الصوتية (10mm، سونوترود خاص ذو مساحة سطحية كبيرة، Hielscher UP100H، 100 واط، 30kHz). وقطب التيتانيوم الذي يعمل بالموجات فوق الصوتية وقطب الكربون خاملان. ولا يحدث التحليل الكهربائي إلا عند تمرير الكهرباء عبر محلول حمض الكبريتيك المخفف. لذلك، يُوصَّل مصعد الكربون ومهبط التيتانيوم بمصدر طاقة ذي جهد ثابت (تيار مستمر).
يُجمع غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين الناتجان عن التحليل الكهربائي لحمض الكبريتيك المخفف في الأنبوبين الخارجيين المدرجين فوق كل قطب. ويزيح حجم الغاز الإلكتروليت في الأنبوبين الخارجيين، ويمكن قياس حجم الغاز الإضافي. والنسبة النظرية لحجمي الغازين هي 2:1. وأثناء التحليل الكهربائي، لا يُزال من الإلكتروليت سوى الماء على هيئة غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين. ومن ثم، يرتفع تركيز حمض الكبريتيك المخفف قليلًا أثناء التحليل الكهربائي.
يعرض الفيديو أدناه التحليل الكهربائي بالموجات فوق الصوتية لحمض الكبريتيك المخفف باستخدام المعالجة النبضية بالموجات فوق الصوتية (سعة 100%، نمط الدورات، تشغيل لمدة 0.2 ثانية، وإيقاف لمدة 0.8 ثانية). وأُجري كلا الاختبارين عند 2.1V (تيار مستمر، جهد ثابت).
تجهيز التحليل الكهربائي بالموجات فوق الصوتية 2 – معالجة بسيطة على دفعات
يُملأ وعاء زجاجي بإلكتروليت من حمض الكبريتيك المخفف (H2SO4, 1.0M). وفي خلية التحليل الكهربائي البسيطة هذه، تُغمر الأقطاب في محلول الماء المُحمَّض. وقطب المصعد الموجب مصنوع من الكربون (8mm). أما المهبط السالب فهو قطب من التيتانيوم يعمل بالموجات فوق الصوتية (10mm، MS10، Hielscher UP100H، 100 واط، 30kHz). ولا يحدث التحليل الكهربائي إلا عند تمرير الكهرباء عبر محلول حمض الكبريتيك المخفف. لذلك، يُوصَّل مصعد الكربون ومهبط التيتانيوم بمصدر طاقة ذي جهد ثابت (تيار مستمر). وقطب التيتانيوم وقطب الكربون خاملان. ولا يُجمع غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين الناتجان عن التحليل الكهربائي لحمض الكبريتيك المخفف في هذا التجهيز. ويعرض الفيديو أدناه هذا التجهيز البسيط جدًا أثناء التشغيل.
ماذا يحدث أثناء التحليل الكهربائي؟
تنجذب أيونات الهيدروجين إلى المهبط السالب. وهناك، تُختزل أيونات الهيدروجين أو جزيئات الماء إلى جزيئات غاز الهيدروجين باكتساب الإلكترونات. ونتيجة لذلك، تنطلق جزيئات غاز الهيدروجين على هيئة غاز الهيدروجين. وينتج التحليل الكهربائي للعديد من أملاح الفلزات النشطة أو المحاليل الحمضية الهيدروجين عند قطب المهبط السالب.
تنجذب أيونات الكبريتات السالبة أو الكميات الضئيلة من أيونات الهيدروكسيد إلى المصعد الموجب. وأيون الكبريتات نفسه مستقر للغاية، لذا لا يحدث له أي تفاعل. وتُفرَّغ شحنة أيونات الهيدروكسيد أو جزيئات الماء وتتأكسد عند المصعد لتكوين الأكسجين. وهذا التفاعل عند المصعد الموجب هو تفاعل أكسدة عند القطب يحدث بفقدان الإلكترونات.
لماذا نستخدم حمض الكبريتيك المخفف؟
لا يحتوي الماء إلا على تراكيز ضئيلة جدًا من أيونات الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد. وهذا يحد من الموصلية الكهربائية. وتحسن التراكيز العالية من أيونات الهيدروجين وأيونات الكبريتات الآتية من حمض الكبريتيك المخفف الموصلية الكهربائية للإلكتروليت. وبدلًا من ذلك، يمكنك استخدام محلول إلكتروليت قلوي مثل هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) أو هيدروكسيد الصوديوم (NAOH)، والماء. وينتج التحليل الكهربائي للعديد من محاليل الأملاح أو حمض الكبريتيك الهيدروجين عند المهبط السالب والأكسجين عند المصعد الموجب. وينتج التحليل الكهربائي لحمض الهيدروكلوريك أو أملاح الكلوريد الكلور عند المصعد.
ما هو جهاز التحليل الكهربائي؟
جهاز التحليل الكهربائي هو جهاز لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين في عملية تُعرف بالتحليل الكهربائي. ويستخدم جهاز التحليل الكهربائي الكهرباء لإنتاج غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين. ويمكن تخزين غاز الهيدروجين بوصفه غازًا مضغوطًا أو مُسالًا. والهيدروجين حامل للطاقة يُستخدم في خلايا وقود الهيدروجين في السيارات أو القطارات أو الحافلات أو الشاحنات.
يحتوي جهاز التحليل الكهربائي الأساسي على مهبط (شحنة سالبة) ومصعد (شحنة موجبة) ومكونات مساعدة، مثل المضخات وفتحات التنفيس وخزانات التخزين ومصدر طاقة وفاصل ومكونات أخرى. والتحليل الكهربائي للماء تفاعل كيميائي كهربائي يحدث داخل جهاز التحليل الكهربائي. ويُزوَّد المصعد والمهبط بتيار مستمر، ويُفكَّك الماء (H20) إلى مكونيه الهيدروجين (H2) والأكسجين (O2).
المؤلفات / 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.