Sonoelektrolitička proizvodnja vodika iz razrijeđene sumporne kiseline
Elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline nastaju plinoviti vodik i plinoviti kisik. Ultrazvučna obrada smanjuje debljinu difuzijskog sloja na površini elektrode i poboljšava prijenos mase tokom elektrolize. Ultrazvučna obrada može značajno povećati brzinu proizvodnje plinovitog vodika u elektrolitičkoj ćeliji.
U nastavku su opisana dva eksperimentalna postava s ugljičnom anodom i titanskom katodom. Kako bi se pokazali pozitivni učinci ultrazvučne obrade na elektrolizu, titanska katoda je sonoelektroda. Time se elektrolitičkoj proizvodnji vodika i kisika iz razrijeđene sumporne kiseline dodaju ultrazvučne vibracije i kavitacija. Kombinacija ultrazvuka i električne struje koristi se u sonoelektrokemiji, sonoelektrolizi i sonoelektrosintezi.
Ultrazvučni homogenizator Hielscher UP100H (100 vati, 30kHz) opremljen je sonoelektrokemijskom nadogradnjom. To omogućava da se sonotroda koristi kao katoda ili anoda u elektrolitičkom procesu. Za industrijske sonoelektrolitičke postave kliknite ovdje!
Sonoelektrična katoda na ultrazvučnom procesoru UP100H
Sonoelektroliza, postav 1 – H-ćelija bez separatora
U postavu se koristi razrijeđena sumporna kiselina (H2SO4, 1,0M). H-ćelija bez separatora napunjena je elektrolitom. Ta ćelija poznata je kao Hofmannov voltametar. Sastoji se od tri spojena uspravna staklena cilindra. Unutrašnji cilindar je na vrhu otvoren radi punjenja elektrolitom. Otvaranjem ventila na vrhu vanjskih cijevi omogućava se izlazak svakog plina tokom punjenja. U elektrolitičkoj ćeliji elektrode su zabrtvljene gumenim prstenovima i uronjene naopako u otopinu zakiseljene vode. Pozitivna anoda izrađena je od ugljika (8mm). Negativna katoda je titanska ultrazvučna sonoelektroda (10mm, posebna sonotroda velike površine, Hielscher UP100H, 100 vati, 30kHz). Titanska sonoelektroda i ugljična elektroda su inertne. Elektroliza će se odvijati samo kada se kroz otopinu razrijeđene sumporne kiseline propušta električna struja. Stoga su ugljična anoda i titanska katoda spojene na izvor napajanja konstantnog napona (istosmjerna struja).
Plinoviti vodik i plinoviti kisik nastali elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline skupljaju se u graduiranim vanjskim cijevima iznad svake elektrode. Volumen plina istiskuje elektrolit u vanjskim cijevima, a volumen dodatnog plina može se izmjeriti. Teorijski omjer volumena plinova je 2:1. Tokom elektrolize iz elektrolita se uklanja samo voda, u obliku plinovitog vodika i plinovitog kisika. Stoga se koncentracija razrijeđene sumporne kiseline tokom elektrolize blago povećava.
Video u nastavku prikazuje sonoelektrolizu razrijeđene sumporne kiseline uz pulsnu ultrazvučnu obradu (amplituda 100%, ciklički način rada, 0,2 sekunde uključeno, 0,8 sekundi isključeno). Oba testa provedena su pri 2,1V (DC, konstantan napon).
Sonoelektroliza, postav 2 – jednostavni šaržni postav
Staklena posuda napunjena je elektrolitom od razrijeđene sumporne kiseline (H2SO4, 1,0M). U ovoj jednostavnoj elektrolitičkoj ćeliji elektrode su uronjene u otopinu zakiseljene vode. Pozitivna anoda izrađena je od ugljika (8mm). Negativna katoda je titanska ultrazvučna sonoelektroda (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vati, 30kHz). Elektroliza će se odvijati samo kada se kroz otopinu razrijeđene sumporne kiseline propušta električna struja. Stoga su ugljična anoda i titanska katoda spojene na izvor napajanja konstantnog napona (istosmjerna struja). Titanska elektroda i ugljična elektroda su inertne. Plinoviti vodik i plinoviti kisik nastali elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline u ovom se postavu ne skupljaju. Video u nastavku prikazuje rad ovog vrlo jednostavnog postava.
Šta se događa tokom elektrolize?
Vodikovi ioni privlače se prema negativnoj katodi. Tamo se vodikov ion ili molekule vode redukuju u molekule plinovitog vodika primanjem elektrona. Kao rezultat, molekule vodika izdvajaju se kao plinoviti vodik. Elektrolizom mnogih soli reaktivnih metala ili kiselih otopina nastaje vodik na negativnoj katodi.
Negativni sulfatni ioni ili tragovi hidroksidnih iona privlače se prema pozitivnoj anodi. Sam sulfatni ion je previše stabilan, tako da se ništa ne događa. Hidroksidni ioni ili molekule vode izlučuju se i oksidiraju na anodi pri čemu nastaje kisik. Ova reakcija na pozitivnoj anodi je oksidacijska elektrodna reakcija s gubitkom elektrona.
Zašto koristimo razrijeđenu sumpornu kiselinu?
Voda sadrži samo minimalne koncentracije vodikovih i hidroksidnih iona. To ograničava električnu provodljivost. Visoke koncentracije vodikovih i sulfatnih iona iz razrijeđene sumporne kiseline poboljšavaju električnu provodljivost elektrolita. Alternativno, možete koristiti alkalnu otopinu elektrolita, kao što su kalijev hidroksid (KOH) ili natrijev hidroksid (NAOH), i vodu. Elektrolizom mnogih otopina soli ili sumporne kiseline nastaje vodik na negativnoj katodi i kisik na pozitivnoj anodi. Elektrolizom hlorovodične kiseline ili hloridnih soli nastaje hlor na anodi.
Šta je elektrolizator?
Elektrolizator je uređaj za razdvajanje vode na vodik i kisik u procesu poznatom kao elektroliza. Elektrolizator koristi električnu energiju za proizvodnju plinovitog vodika i plinovitog kisika. Plinoviti vodik može se skladištiti kao komprimirani ili ukapljeni plin. Vodik je nosilac energije za upotrebu u vodikovim gorivnim ćelijama u automobilima, vozovima, autobusima ili kamionima.
Osnovni elektrolizator sadrži katodu (negativan naboj) i anodu (pozitivan naboj) te periferne komponente, kao što su pumpe, odzračnici, spremnici za skladištenje, izvor napajanja, separator i druge komponente. Elektroliza vode je elektrokemijska reakcija koja se odvija unutar elektrolizatora. Anoda i katoda napajaju se istosmjernom strujom, a voda (H20) razlaže se na svoje sastojke vodik (H2) i kisik (O2).
Literatura / reference
- 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.