Sonoelektrolitička proizvodnja vodika iz razrijeđene sumporne kiseline
Elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline nastaju plinoviti vodik i plin kisik. Ultrasonication smanjuje debljinu difuzijskog sloja na površini elektrode i poboljšava prijenos mase tijekom elektrolize. Ultrasonication može značajno povećati stope proizvodnje plina vodika u elektrolitičkoj ćeliji.
U nastavku su opisane dvije eksperimentalne postavke s karbonskom anodom i titanijumskom katodom. Da bi se demonstrirali pozitivni efekti ultrazvučne obrade na elektrolizu, titanijumska katoda je sonoelektroda. Ovo dodaje ultrazvučne vibracije i kavitaciju elektrolitičkoj proizvodnji vodika i kisika iz razrijeđene sumporne kiseline. Kombinacija ultrazvuka i električne energije koristi se u sonoelektrohemiji, sonoelektrolizi i sonoelektrosintezi.
Hielscher ultrazvučni homogenizator UP100H (100 vati, 30 kHz) opremljen je sonoelektrohemijskom nadogradnjom. Ovo omogućava korištenje sonotrode kao katode ili anode u elektrolitičkom procesu. Za industrijske sonoelektrolitičke postavke, kliknite ovdje!
Sonoelektrična katoda na ultrazvučnom procesoru UP100H
Postavljanje sonoelektrolize 1 – Nepodijeljena ćelija tipa H
Postavka koristi razrijeđenu sumpornu kiselinu (H2SO4, 1,0M). Nepodijeljena ćelija H-tipa je napunjena elektrolitom. Ova ćelija je poznata kao Hofmannov voltametar. Ima tri spojena uspravna staklena cilindra. Unutrašnji cilindar je otvoren na vrhu kako bi se omogućilo punjenje elektrolitom. Otvaranje ventila na vrhu vanjskih cijevi omogućava istjecanje bilo kakvog plina tokom punjenja. U elektrolitičkoj ćeliji, elektrode su zapečaćene gumenim prstenovima i uronjene naopačke u rastvor zakiseljene vode. Pozitivna anoda elektroda je napravljena od ugljenika (8 mm). Negativna katoda je titanijumska ultrazvučna sonoelektroda (10 mm, specijalna sonotroda velike površine, Hielscher UP100H, 100 vati, 30 kHz). Titanijumska sonoelektroda i ugljenična elektroda su inertne. Elektroliza će se odvijati samo kada se električna energija prođe kroz razrijeđenu otopinu sumporne kiseline. Stoga su ugljenična anoda i titanijumska katoda spojene na napajanje konstantnog napona (jednosmjerna struja).
Plinoviti vodik i kisik koji nastaju elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline skupljaju se u graduiranim vanjskim cijevima iznad svake elektrode. Zapremina plina istiskuje elektrolit u vanjskim cijevima, a volumen dodatnog plina se može izmjeriti. Teoretski odnos zapremine gasa je 2:1. Tokom elektrolize, iz elektrolita se uklanja samo voda u obliku gasovitog vodonika i gasa kiseonika. Dakle, koncentracija razrijeđene sumporne kiseline lagano raste tokom elektrolize.
Video u nastavku prikazuje sonoelektrolizu razrijeđene sumporne kiseline korištenjem pulsnog ultrazvuka (100% amplituda, ciklusni režim, 0,2 sekunde uključeno, 0,8 sekundi isključeno). Oba testa su obavljena na 2.1V (DC, konstantni napon).
Podešavanje sonoelektrolize 2 – Simple Batch
Staklena posuda je napunjena elektrolitom razrijeđene sumporne kiseline (H2SO4, 1,0M). U ovoj jednostavnoj elektrolitičkoj ćeliji, elektrode su uronjene u otopinu zakiseljene vode. Pozitivna anoda elektroda je napravljena od ugljenika (8 mm). Negativna katoda je titanijumska ultrazvučna sonoelektroda (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vati, 30 kHz). Elektroliza će se odvijati samo kada se električna energija prođe kroz razrijeđenu otopinu sumporne kiseline. Stoga su ugljenična anoda i titanijumska katoda spojene na napajanje konstantnog napona (jednosmjerna struja). Titanijumska elektroda i ugljenična elektroda su inertne. Plinoviti vodik i plin kisik koji nastaju elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline ne prikupljaju se u ovoj postavci. Video ispod prikazuje ovu vrlo jednostavnu postavku u radu.
Šta se dešava tokom elektrolize?
Ioni vodika privlače negativnu katodu. Tamo se molekuli vodikovog jona ili vode reduciraju na molekule vodikovog plina putem dobivanja elektrona. Kao rezultat toga, molekuli plina vodika se ispuštaju kao plinoviti vodonik. Elektroliza mnogih reaktivnih metalnih soli ili kiselih otopina proizvodi vodik na elektrodi negativne katode.
Negativni sulfatni ioni ili tragovi hidroksidnih jona privlače se pozitivnom anodom. Sam sulfatni jon je previše stabilan, tako da se ništa ne dešava. Hidroksidni joni ili molekule vode se ispuštaju i oksidiraju na anodi kako bi se formirao kisik. Ova pozitivna anodna reakcija je reakcija oksidacijske elektrode gubitkom elektrona.
Zašto koristimo razrijeđenu sumpornu kiselinu?
Voda sadrži samo male koncentracije vodikovih iona i hidroksidnih jona. Ovo ograničava električnu provodljivost. Visoke koncentracije vodikovih iona i sulfatnih jona iz razrijeđene sumporne kiseline poboljšavaju električnu provodljivost elektrolita. Alternativno, možete koristiti otopinu alkalnog elektrolita kao što je kalij hidroksid (KOH) ili natrijum hidroksid (NAOH) i vodu. Elektrolizom mnogih otopina soli ili sumporne kiseline nastaje vodik na negativnoj katodi i kisik na pozitivnoj anodi. Elektrolizom hlorovodonične kiseline ili kloridnih soli nastaje hlor na anodi.
Šta je elektrolizer?
Elektrolizer je uređaj za razdvajanje vode na vodik i kisik u procesu poznatom kao elektroliza. Elektrolizer koristi električnu energiju za proizvodnju plina vodika i plina kisika. Vodonik se može skladištiti kao komprimirani ili ukapljeni plin. Vodik je nosilac energije za upotrebu u vodoničnim gorivnim ćelijama u automobilima, vozovima, autobusima ili kamionima.
Osnovni elektrolizator sadrži katodu (negativno naelektrisanje) i anodu (pozitivno naelektrisanje) i periferne komponente, kao što su pumpe, ventilacioni otvori, rezervoari za skladištenje, napajanje, separator i druge komponente. Elektroliza vode je elektrohemijska reakcija koja se odvija unutar elektrolizera. Anoda i katoda se napajaju jednosmernom strujom, a voda (H20) se deli na svoje komponente vodonik (H2) i kiseonik (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.