Sonoelektrolytická výroba vodíku ze zředěné kyseliny sírové
Elektrolýzou zředěné kyseliny sírové vzniká plynný vodík a plynný kyslík. Ultrazvuku snižuje tloušťku difúzní vrstvy na povrchu elektrody a zlepšuje přenos hmoty během elektrolýzy. Ultrazvuku může výrazně zvýšit rychlost produkce plynného vodíku v elektrolytickém článku.
Níže jsou popsána dvě experimentální nastavení s uhlíkovou anodou a titanovou katodou. Aby se prokázaly pozitivní účinky ultrazvuku na elektrolýzu, je titanová katoda sonoelektroda. To přidává ultrazvukové vibrace a kavitaci k elektrolytické výrobě vodíku a kyslíku ze zředěné kyseliny sírové. Kombinace ultrazvuku s elektřinou se používá v sonoelektrochemii, sonoelektrolýze a sonoelektrosyntéze.
Hielscher ultrazvukový homogenizátor UP100H (100 wattů, 30 kHz) je vybaven sonoelektrochemickým upgradem. To umožňuje použít sonotrodu jako katodu nebo anodu v elektrolytickém procesu. Pro průmyslová sonoelektrolytická nastavení klikněte prosím zde!
Sonoelektrická katoda na ultrazvukovém procesoru UP100H
Nastavení sonoelektrolýzy 1 – Nerozdělená buňka typu H
Nastavení používá zředěnou kyselinu sírovou (H2SO4, 1.0M). Elektrolytem je naplněn nedělený článek typu H. Tato buňka je známá jako Hofmannův voltametr. Má tři spojené svislé skleněné válce. Vnitřní válec je nahoře otevřený, aby bylo možné plnit elektrolytem. Otevření ventilů v horní části vnějších trubek umožňuje únik plynu během plnění. V elektrolytickém článku jsou elektrody utěsněny gumovými kroužky a ponořeny vzhůru nohama do roztoku okyselené vody. Kladná anodová elektroda je vyrobena z uhlíku (8 mm). Záporná katoda je titanová ultrazvuková sonoelektroda (10 mm, speciální sonotroda s vysokým povrchem, Hielscher UP100H, 100 wattů, 30 kHz). Titanová sonoelektroda a uhlíková elektroda jsou inertní. Elektrolýza bude probíhat pouze tehdy, když elektřina prochází zředěným roztokem kyseliny sírové. Proto jsou uhlíková anoda a titanová katoda připojeny k napájecímu zdroji s konstantním napětím (stejnosměrný proud).
Plynný vodík a plynný kyslík vznikající při elektrolýze zředěné kyseliny sírové se shromažďují v odměrných vnějších trubkách nad každou elektrodou. Objem plynu vytlačuje elektrolyt ve vnějších trubkách a lze měřit objem přídavného plynu. Teoretický poměr objemu plynu je 2:1. Během elektrolýzy se z elektrolytu odstraňuje pouze voda jako plynný vodík a plynný kyslík. Koncentrace zředěné kyseliny sírové tedy během elektrolýzy mírně stoupá.
Níže uvedené video ukazuje sonoelektrolýzu zředěné kyseliny sírové pomocí pulzní ultrazvuku (100% amplituda, režim cyklu, 0,2 sekundy zapnuto, 0,8 sekundy vypnuto). Oba testy probíhaly při napětí 2,1 V (DC, konstantní napětí).
Nastavení sonoelektrolýzy 2 – Jednoduchá dávka
Skleněná nádoba je naplněna elektrolytem zředěné kyseliny sírové (H2SO4, 1,0M). V tomto jednoduchém elektrolytickém článku jsou elektrody ponořeny do roztoku okyselené vody. Kladná anodová elektroda je vyrobena z uhlíku (8 mm). Záporná katoda je titanová ultrazvuková sonoelektroda (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 wattů, 30 kHz). Elektrolýza bude probíhat pouze tehdy, když elektřina prochází zředěným roztokem kyseliny sírové. Proto jsou uhlíková anoda a titanová katoda připojeny k napájecímu zdroji s konstantním napětím (stejnosměrný proud). Titanová elektroda a uhlíková elektroda jsou inertní. Plynný vodík a plynný kyslík produkovaný při elektrolýze zředěné kyseliny sírové se v tomto uspořádání neshromažďuje. Video níže ukazuje toto velmi jednoduché nastavení v provozu.
Co se děje během elektrolýzy?
Vodíkové ionty jsou přitahovány k záporné katodě. Tam jsou molekuly vodíkových iontů nebo vody redukovány na molekuly plynného vodíku elektronovým ziskem. V důsledku toho jsou molekuly plynného vodíku vypouštěny jako plynný vodík. Elektrolýzou mnoha reaktivních solí kovů nebo kyselých roztoků vzniká vodík na záporné katodové elektrodě.
Záporné síranové ionty nebo stopy hydroxidových iontů jsou přitahovány ke kladné anodě. Samotný síranový iont je příliš stabilní, takže se nic neděje. Hydroxidové ionty nebo molekuly vody se vypouštějí a oxidují na anodě za vzniku kyslíku. Tato pozitivní anodová reakce je reakce oxidační elektrody se ztrátou elektronů.
Proč používáme zředěnou kyselinu sírovou?
Voda obsahuje pouze nepatrné koncentrace vodíkových iontů a hydroxidových iontů. To omezuje elektrickou vodivost. Vysoké koncentrace vodíkových iontů a síranových iontů ze zředěné kyseliny sírové zlepšují elektrickou vodivost elektrolytu. Alternativně můžete použít roztok alkalického elektrolytu, jako je hydroxid draselný (KOH) nebo hydroxid sodný (NAOH), a vodu. Elektrolýzou mnoha roztoků solí nebo kyseliny sírové vzniká vodík na záporné katodě a kyslík na kladné anodě. Elektrolýzou kyseliny chlorovodíkové nebo chloridových solí vzniká na anodě chlór.
Co je to elektrolyzér?
Elektrolyzér je zařízení k oddělení vody na vodík a kyslík v procesu známém jako elektrolýza. Elektrolyzér využívá elektřinu k výrobě plynného vodíku a plynného kyslíku. Plynný vodík může být skladován jako stlačený nebo zkapalněný plyn. Vodík je nosič energie pro použití ve vodíkových palivových článcích v automobilech, vlacích, autobusech nebo nákladních automobilech.
Základní elektrolyzér obsahuje katodu (záporný náboj) a anodu (kladný náboj) a periferní součásti, jako jsou čerpadla, větrací otvory, akumulační nádrže, napájecí zdroj, separátor a další součásti. Elektrolýza vody je elektrochemická reakce, ke které dochází v elektrolyzéru. Anoda a katoda jsou napájeny stejnosměrným proudem a voda (H20) je rozdělena na její složky: vodík (H2) a kyslík (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.