Соноелектролитично производство на водород от разредена сярна киселина
Електролизата на разредена сярна киселина произвежда газообразен водород и газообразен кислород. Ултразвуковата обработка намалява дебелината на дифузионния слой на повърхността на електрода и подобрява масопреноса по време на електролизата. Ултразвуковата обработка може значително да увеличи скоростта на производство на газообразен водород в електролитната клетка.
По-долу са описани две експериментални установки с въглероден анод и титанов катод. За да се демонстрират положителните ефекти на ултразвуковата обработка върху електролизата, титановият катод представлява соноелектрод. Това добавя ултразвукови вибрации и кавитация към електролитното производство на водород и кислород от разредена сярна киселина. Комбинацията от ултразвук и електричество се използва в соноелектрохимията, соноелектролизата и соноелектросинтеза.
Ултразвуковият хомогенизатор UP100H на Hielscher (100 вата, 30kHz) е оборудван с модификация за соноелектрохимия. Това позволява сонотродът да се използва като катод или анод в електролитен процес. За промишлени соноелектролитични установки, моля, щракнете тук!
Соноелектрически катод на ултразвуковия процесор UP100H
Установка за соноелектролиза 1 – Неразделена клетка от H-тип
Установката използва разредена сярна киселина (H2SO4, 1,0M). Неразделена клетка от H-тип се напълва с електролита. Тази клетка е известна като волтаметър на Хофман. Тя има три свързани вертикални стъклени цилиндъра. Вътрешният цилиндър е отворен отгоре, за да позволява напълване с електролит. Отварянето на крановете в горната част на външните тръби позволява на газовете да излизат по време на напълването. В електролитната клетка електродите са уплътнени с гумени пръстени и потопени с главата надолу в разтвора на подкиселена вода. Положителният аноден електрод е изработен от въглерод (8mm). Отрицателният катод е титанов ултразвуков соноелектрод (10mm, специален сонотрод с голяма повърхност, Hielscher UP100H, 100 вата, 30kHz). Титановият соноелектрод и въглеродният електрод са инертни. Електролиза ще протича само когато през разтвора на разредена сярна киселина преминава електрически ток. Затова въглеродният анод и титановият катод са свързани към захранващ източник с постоянно напрежение (постоянен ток).
Газообразният водород и газообразният кислород, произведени при електролизата на разредената сярна киселина, се събират в градуираните външни тръби над всеки електрод. Обемът на газа измества електролита във външните тръби и обемът на допълнително образувания газ може да се измери. Теоретичното съотношение на обемите на газовете е 2:1. По време на електролизата от електролита се отстранява само вода под формата на газообразен водород и газообразен кислород. Следователно концентрацията на разредената сярна киселина леко се повишава по време на електролизата.
Видеото по-долу показва соноелектролизата на разредена сярна киселина с импулсна ултразвукова обработка (100% амплитуда, цикличен режим, 0,2 секунди включено, 0,8 секунди изключено). И двата теста са проведени при 2,1V (постоянен ток, постоянно напрежение).
Установка за соноелектролиза 2 – Проста периодична обработка
Стъклен съд се напълва с електролит от разредена сярна киселина (H2SO4, 1,0M). В тази проста електролитна клетка електродите са потопени в разтвор на подкиселена вода. Положителният аноден електрод е изработен от въглерод (8mm). Отрицателният катод е титанов ултразвуков соноелектрод (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 вата, 30kHz). Електролиза ще протича само когато през разтвора на разредена сярна киселина преминава електрически ток. Затова въглеродният анод и титановият катод са свързани към захранващ източник с постоянно напрежение (постоянен ток). Титановият електрод и въглеродният електрод са инертни. Газообразният водород и газообразният кислород, произведени при електролизата на разредената сярна киселина, не се събират в тази установка. Видеото по-долу показва тази много проста установка в действие.
Какво се случва по време на електролизата?
Водородните йони се привличат към отрицателния катод. Там водородните йони или водните молекули се редуцират до молекули на газообразен водород чрез приемане на електрони. В резултат молекулите на газообразния водород се отделят като водороден газ. Електролизата на много соли на реактивни метали или киселинни разтвори произвежда водород при отрицателния катоден електрод.
Отрицателните сулфатни йони или следите от хидроксидни йони се привличат към положителния анод. Самият сулфатен йон е твърде стабилен, затова с него не се случва нищо. Хидроксидните йони или водните молекули се разреждат и окисляват на анода, за да образуват кислород. Тази реакция на положителния анод е окислителна електродна реакция, протичаща чрез отдаване на електрони.
Защо използваме разредена сярна киселина?
Водата съдържа водородни йони и хидроксидни йони само в много ниски концентрации. Това ограничава електропроводимостта. Високите концентрации на водородни йони и сулфатни йони от разредената сярна киселина подобряват електропроводимостта на електролита. Като алтернатива можете да използвате алкален електролитен разтвор, например калиев хидроксид (KOH) или натриев хидроксид (NAOH), и вода. Електролизата на много разтвори на соли или на сярна киселина произвежда водород при отрицателния катод и кислород при положителния анод. Електролизата на солна киселина или хлоридни соли произвежда хлор при анода.
Какво е електролизатор?
Електролизаторът е устройство за разлагане на водата на водород и кислород чрез процес, известен като електролиза. Електролизаторът използва електричество за производство на газообразен водород и газообразен кислород. Газообразният водород може да се съхранява като сгъстен или втечнен газ. Водородът е енергоносител за използване във водородни горивни клетки в автомобили, влакове, автобуси или камиони.
Основният електролизатор съдържа катод (отрицателен заряд) и анод (положителен заряд) и периферни компоненти, като помпи, отвори за отвеждане на газове, резервоари за съхранение, захранващ източник, сепаратор и други компоненти. Електролизата на водата е електрохимична реакция, която протича в електролизатора. Анодът и катодът се захранват с постоянен ток и водата (H20) се разлага на съставните си компоненти водород (H2) и кислород (O2).
Литература / Източници
- 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.