Sonoelektrolytická výroba vodíku ze zředěné kyseliny sírové
Elektrolýzou zředěné kyseliny sírové vzniká plynný vodík a plynný kyslík. Sonikace snižuje tloušťku difuzní vrstvy na povrchu elektrody a zlepšuje přenos hmoty během elektrolýzy. Sonikace může významně zvýšit rychlost produkce plynného vodíku v elektrolytickém článku.
Níže jsou popsána dvě experimentální uspořádání s uhlíkovou anodou a titanovou katodou. Aby se prokázaly pozitivní účinky sonikace na elektrolýzu, je titanová katoda sonoelektrodou. Tím se do elektrolytické výroby vodíku a kyslíku ze zředěné kyseliny sírové vnášejí ultrazvukové vibrace a kavitace. Kombinace ultrazvuku s elektřinou se využívá v sonoelektrochemii, sonoelektrolýze a sonoelektrosyntéze.
Ultrazvukový homogenizátor Hielscher UP100H (100 wattů, 30kHz) je vybaven sonoelektrochemickým rozšířením. To umožňuje použít sonotrodu jako katodu nebo anodu v elektrolytickém procesu. Pro průmyslová sonoelektrolytická uspořádání klikněte prosím zde!
Sonoelektrická katoda na ultrazvukovém procesoru UP100H
Sonoelektrolytické uspořádání 1 – nedělený článek typu H
V tomto uspořádání se používá zředěná kyselina sírová (H2SO4, 1,0M). Nedělený článek typu H se naplní elektrolytem. Tento článek je známý jako Hofmannův voltametr. Skládá se ze tří vzájemně spojených svislých skleněných válců. Vnitřní válec je nahoře otevřený, aby jej bylo možné plnit elektrolytem. Otevřením ventilů v horní části vnějších trubic může během plnění unikat veškerý plyn. V elektrolytickém článku jsou elektrody utěsněny pryžovými kroužky a ponořeny dnem vzhůru do roztoku okyselené vody. Kladná anodová elektroda je vyrobena z uhlíku (8mm). Záporná katoda je titanová ultrazvuková sonoelektroda (10mm, speciální sonotroda s velkou plochou povrchu, Hielscher UP100H, 100 wattů, 30kHz). Titanová sonoelektroda a uhlíková elektroda jsou inertní. Elektrolýza bude probíhat pouze tehdy, když zředěným roztokem kyseliny sírové prochází elektrický proud. Proto jsou uhlíková anoda a titanová katoda připojeny ke zdroji konstantního napětí (stejnosměrný proud).
Plynný vodík a plynný kyslík vznikající při elektrolýze zředěné kyseliny sírové se shromažďují v odměrných vnějších trubicích nad každou elektrodou. Objem plynu vytlačuje elektrolyt z vnějších trubic a objem přibývajícího plynu lze změřit. Teoretický poměr objemů plynů je 2:1. Během elektrolýzy je z elektrolytu odstraňována pouze voda, a to ve formě plynného vodíku a plynného kyslíku. Proto se koncentrace zředěné kyseliny sírové během elektrolýzy mírně zvyšuje.
Video níže ukazuje sonoelektrolýzu zředěné kyseliny sírové s použitím pulzní sonikace (100% amplituda, cyklický režim, 0,2 sekundy zapnuto, 0,8 sekundy vypnuto). Oba testy probíhaly při napětí 2,1V (DC, konstantní napětí).
Sonoelektrolytické uspořádání 2 – jednoduchý vsádkový režim
Skleněná nádoba se naplní elektrolytem ze 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 (8mm). Záporná katoda je titanová ultrazvuková sonoelektroda (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 wattů, 30kHz). Elektrolýza bude probíhat pouze tehdy, když zředěným roztokem kyseliny sírové prochází elektrický proud. Proto jsou uhlíková anoda a titanová katoda připojeny ke zdroji konstantního napětí (stejnosměrný proud). Titanová elektroda a uhlíková elektroda jsou inertní. Plynný vodík a plynný kyslík vznikající při elektrolýze zředěné kyseliny sírové se v tomto uspořádání neshromažďují. Video níže ukazuje toto velmi jednoduché uspořádání v provozu.
Co se děje během elektrolýzy?
Vodíkové ionty jsou přitahovány k záporné katodě. Tam se vodíkový ion nebo molekuly vody přijetím elektronu redukují na molekuly plynného vodíku. V důsledku toho se molekuly plynného vodíku uvolňují jako plynný vodík. Elektrolýzou mnoha solí reaktivních kovů nebo roztoků kyselin vzniká vodík na záporné katodové elektrodě.
Záporné síranové ionty nebo stopy hydroxidových iontů jsou přitahovány ke kladné anodě. Samotný síranový ion je příliš stabilní, takže se nic neděje. Hydroxidové ionty nebo molekuly vody se na anodě vybíjejí a oxidují za vzniku kyslíku. Tato reakce na kladné anodě je oxidační elektrodovou reakcí spočívající ve ztrátě elektronu.
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 alkalický roztok 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 chlor.
Co je elektrolyzér?
Elektrolyzér je zařízení k rozkladu vody na vodík a kyslík procesem známým jako elektrolýza. Elektrolyzér využívá elektřinu k výrobě plynného vodíku a plynného kyslíku. Plynný vodík lze skladovat jako stlačený nebo zkapalněný plyn. Vodík je nosičem energie pro použití ve vodíkovém palivovém článku v osobních automobilech, vlacích, autobusech nebo nákladních automobilech.
Základní elektrolyzér obsahuje katodu (záporný náboj) a anodu (kladný náboj) a periferní komponenty, jako jsou čerpadla, odvětrávací ventily, zásobní nádrže, napájecí zdroj, separátor a další komponenty. Elektrolýza vody je elektrochemická reakce, která probíhá v elektrolyzéru. Anoda a katoda jsou napájeny stejnosměrným proudem a voda (H20) se štěpí na své 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.