Производство на соноелектричен хидроген от разредена сярна киселина
Електролизата на разредената сярна киселина произвежда водороден газ и кислороден газ. Ultrasonication намалява дебелината на дифузионния слой на повърхността на електрод и подобрява масовия пренос по време на електролиза. Ultrasonication може значително да увеличи скоростта на производство на водороден газ в електролитните клетки.
По-долу са описани две експериментални нагласи с въглероден анод и титан катод. За да се демонстрират положителните ефекти на ултразвука върху електролизата, титановата катода е соноелектрода. 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 соноелектрохимия, соноелектролиза и соноелектрозис.
Ултразвуковият хомогенизатор на Hielscher UP100H (100 вата, 30kHz) е оборудван със соноелектрично-геохимическа надстройка. Това позволява да се използва сонотрода като катод или анод в електролитен процес. За индустриални соноелектрици, моля натиснете тук!
Sonoelectric Катод на UP100H ултразвуков процесор
Настройка на соноелектролиза 1 – H-тип Неразделяща клетка
Настройката използва разредена сярна киселина (H2SO4, 1.0M). Една неразделен тип H се запълва с електролита. Тази клетка е известна като Хофман Волтаметър. Има три съединени стъклени цилиндъра. Вътрешният цилиндър е отворен отгоре, за да се позволи запълване с електролит. Отварянето на клапаните в горната част на външните тръби позволява изпускането на газ по време на пълнене. В електролитната клетка електродите се запечатват с гумени пръстени и се потапят с главата надолу в разтвора на подкислетената вода. Положителният аноден електрод е направен от въглерод (8 мм). Отрицателният катод е титанов ултразвуков соноелектрода (10mm, специален сонотрода на високо повърхностната повърхност, Hielscher UP100H, 100 вата, 30kHz). Титаниевият соноелектрода и въглеродният електрод са инертни. Електролизата ще се осъществи само когато електричеството се предава през разтвора на разредена сярна киселина. Следователно, въглероден анод и титан катод са свързани към постоянно напрежение захранване (постоянен ток).
Водородният газ и кислородният газ, произвеждан в електролизата на разредената сярна киселина, се събират в градуираните външни тръби над всеки електрод. Обемът на газа измества електролита във външните тръби, а обемът на допълнителния газ може да бъде измерен. Теоретичното съотношение на газовия обем е 2:1. По време на електролизата само водата се отстранява от електролита като водороден газ и кислороден газ. Следователно, концентрацията на разредената сярна киселина се покачва леко по време на електролизата.
Видеото по-долу показва соноелектролиза на разредена сярна киселина, като се използва ултразвукова импулсна (100% амплитуда, режим на цикъл, 0.2 секунди, 0.8 секунди изключен). И двете изпитвания са били 2.1V (DC, постоянно напрежение).
Настройка на соноелектролиза 2 – Проста партида
Стъклен съд се запълва с електролит разредена сярна киселина (H2SO4, 1.0M). В тази проста електролитна клетка електродите се потапят в разтвор на подкислия вода. Положителният аноден електрод е направен от въглерод (8 мм). Отрицателният катод е титан ултразвуков сонолектро (10 мм, MS10, Hielscher UP100H, 100 вата, 30kHz). Електролизата ще се осъществи само когато електричеството се предава през разтвора на разредена сярна киселина. Следователно, въглероден анод и титан катод са свързани към постоянно напрежение захранване (постоянен ток). Титаниевият електрод и въглеродният електрод са инертни. Водородният газ и кислородният газ, произвеждан в електролизата на разредената сярна киселина, не се събират в тази настройка. Видеото по-долу показва тази много проста настройка в експлоатация.
Какво се случва по време на електролиза?
Водородните йони са привлечени от негативния катод. Там молекулите на водородния йон или водата се свеждат до молекулите на водородния газ 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 произвежда водород в отрицателния катод електрод.
Отрицателните сулфатни йони или следи от хидроксидни йони се привличат от положителния анод. Самият сулфат йон е твърде стабилен, така че нищо не се случва. Хидроксидни йони или водни молекули се изхвърлят и окисляват в анода, за да се образува кислород. Тази положителна анодна реакция е реакция на окисляване на електрод чрез загуба на електрони.
Защо използваме разредена сярна киселина?
Водата съдържа само минутни концентрации на водородни йони и хидроксиди. Това ограничава електропроводимостта. Високите концентрации на водородни йони и сулфатни йони от разредената сярна киселина подобряват електрическата проводимост на електролита. Алтернативно, 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 в положителния анод. Електролизата на солна киселина или хлоридни соли произвежда хлор в анод.
Какво е Електролизер?
Електролизерът е устройство за отделяне на водата на водород и кислород в процес, известен като електролиза. Електролизерът използва електричество за производство на водороден газ и кислороден газ. Водородният газ може да се съхранява като сгъстен или втечнен газ. Водородът е енергоносител за използване в водородни горивни клетки в автомобили, влакове, автобуси или камиони.
Основен електролизър 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 се проявява в електролизера. Анодът и катодата 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.