Производство на соноелектролитен водород от разредена сярна киселина
Електролизата на разредена сярна киселина произвежда водороден газ и кислороден газ. Ултразвукът намалява дебелината на дифузионния слой на повърхността на електрода и подобрява преноса на маса по време на електролиза. Ултразвукът може значително да увеличи скоростта на производство на водороден газ в електролитната клетка.
Две експериментални инсталации с въглероден анод и титанов катод са описани по-долу. За да се демонстрират положителните ефекти на ултразвука върху електролизата, титаниевият катод е соноелектрод. Това добавя ултразвукови вибрации и кавитация към електролитното производство на водород и кислород от разредена сярна киселина. Комбинацията от ултразвук с електричество се използва в соноелектрохимията, соноелектролизата и соноелектросинтезата.
Ултразвуковият хомогенизатор на Hielscher UP100H (100 вата, 30kHz) е оборудван със соноелектрохимичен ъпгрейд. Това позволява да се използва сонотродът като катод или анод в електролитен процес. За индустриални соноелектролитни настройки, моля, щракнете тук!
Соноелектричен катод на ултразвуков процесор UP100H
Настройка за соноелектролиза 1 – Неразделена клетка от тип H
В инсталацията се използва разредена сярна киселина (H2SO4, 1,0M). Неразделена клетка от тип Н се пълни с електролита. Тази клетка е известна като волтаметър на Хофман. Има три съединени изправени стъклени цилиндъра. Вътрешният цилиндър е отворен в горната част, за да позволи пълнене с електролит. Отварянето на клапаните в горната част на външните тръби позволява на всеки газ да излезе по време на пълнене. В електролитната клетка електродите се запечатват с гумени пръстени и се потапят с главата надолу в разтвора на подкиселена вода. Положителният аноден електрод е изработен от въглерод (8 мм). Отрицателният катод е титаниев ултразвуков соноелектрод (10 мм, специален сонотод с висока повърхност, Hielscher UP100H, 100 вата, 30kHz). Титаниевият соноелектрод и въглеродният електрод са инертни. Електролизата ще се извърши само когато електричеството се премине през разредения разтвор на сярна киселина. Следователно въглеродният анод и титаниевият катод са свързани към захранване с постоянно напрежение (постоянен ток).
Водородният газ и кислородният газ, 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 може да се измери обемът на допълнителния газ. Теоретичното съотношение на обема на газа е 2:1. По време на електролизата от електролита се отстранява само вода като водороден газ и кислороден газ. Следователно концентрацията на разредената сярна киселина леко се повишава по време на електролизата.
Видеото по-долу показва соноелектролиза на разредена сярна киселина с помощта на импулсна ултразвукова реакция (100% амплитуда, режим на цикъл, 0,2 секунди включено, 0,8 секунди изключено). И двата теста бяха проведени при 2.1V (DC, постоянно напрежение).
Настройка за соноелектролиза 2 – Проста партида
Стъклен съд се пълни с електролит от разредена сярна киселина (H2SO4, 1,0M). В тази проста електролитна клетка електродите се потапят в разтвор на подкиселената вода. Положителният аноден електрод е изработен от въглерод (8 мм). Отрицателният катод е титанов ултразвуков соноелектрод (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 вата, 30kHz). Електролизата ще се извърши само когато електричеството се премине през разредения разтвор на сярна киселина. Следователно въглеродният анод и титаниевият катод са свързани към захранване с постоянно напрежение (постоянен ток). Титаниевият електрод и въглеродният електрод са инертни. Водородният газ и кислородният газ, произведени при електролизата на разредената сярна киселина, не се събират в тази конфигурация. Видеото по-долу показва тази много проста настройка в експлоатация.
Какво се случва по време на електролиза?
Водородните йони се привличат от отрицателния катод. Там молекулите на водородния йон или водата се редуцират до водородни газови молекули чрез електронно усилване. В резултат на това молекулите на водородния газ се изхвърлят като водороден газ. Електролизата на много реактивни метални соли или киселинни разтвори произвеждат водород в отрицателния катоден електрод.
Отрицателните сулфатни йони или следите от хидроксидни йони се привличат към положителния анод. Самият сулфатен йон е твърде стабилен, така че нищо не се случва. Хидроксидните йони или водните молекули се изхвърлят и окисляват на анода, за да образуват кислород. Тази реакция на положителен анод е реакция на окислителен електрод чрез загуба на електрони.
Защо използваме разредена сярна киселина?
Водата съдържа само малки концентрации на водородни йони и хидроксидни йони. Това ограничава електрическата проводимост. Високите концентрации на водородни йони и сулфатни йони от разредената сярна киселина подобряват електрическата проводимост на електролита. Като алтернатива можете да използвате алкален електролитен разтвор като калиев хидроксид (KOH) или натриев хидроксид (NAOH) и вода. Електролизата на много разтвори на соли или сярна киселина произвежда водород при отрицателния катод и кислород при положителния анод. Електролизата на солна киселина или хлоридни соли произвежда хлор в анода.
Какво е електролизатор?
Електролизаторът е устройство за разделяне на водата на водород и кислород в процес, известен като електролиза. Електролизаторът използва електричество за производство на водороден газ и кислороден газ. Водородният газ може да се съхранява като компресиран или втечнен газ. Водородът е енергиен носител 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, вентилационни отвори, резервоари за съхранение, захранване, сепаратор и други компоненти. Водната електролиза е електрохимична реакция, която протича в електролизатора. Анодът и катодът се захранват от постоянен ток, а водата (H20) се разделя на компонентите си водород (H2) и кислород (O2).
Литература / Препратки
- 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.