Výroba sonoelektrolytického vodíku ze zředěné kyseliny sírové
Elektrolýza zředěné kyseliny sírové produkuje vodíkový plyn a kyslíkový plyn. Ultrazvuku snižuje tloušťku difúzní vrstvy na povrchu elektrody a zlepšuje přenos hmoty během elektrolýzy. Ultrazvuku může výrazně zvýšit rychlost výroby vodíkového plynu v elektrolytické buňce.
Níže jsou popsány dvě experimentální sestavy s uhlíkovou anodou a titanovou katodou. Chcete-li prokázat pozitivní účinky ultrazvuku na elektrolýzu, titanová katoda je sonoelektorod. To přidává ultrazvukové vibrace a kavitaci k elektrolytické produkci vodíku a kyslíku ze zředěné kyseliny sírové. Kombinace ultrazvuku s elektřinou se používá v sonoelectrochemii, sonoelektrolýze a sonoelectrosyntéze.
Ultrazvukový homogenizátor Hielscher UP100H (100 wattů, 30kHz) je vybaven sonoelektrochemickým upgradem. To umožňuje používat sonotrodu jako katodu nebo anodu v elektrolytickém procesu. Pro průmyslové sonoelektrolytické sestavy klikněte zde!
Sonoelektrická katoda na ultrazvukovém procesoru UP100H
Nastavení sonoelektrolýzy 1 – Dělená buňka typu H
Nastavení používá zředěnou kyselinu sírovou (H2SO4, 1,0M). Dělená buňka typu H je naplněna elektrolytem. Tato buňka je známá jako Hofmann voltametr. Má tři spojené vzpřímené 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 elektrolytické buňce jsou elektrody utěsněny gumovými kroužky a ponořeny vzhůru nohama do roztoku okyselené vody. Pozitivní anodová elektroda je vyrobena z uhlíku (8 mm). Negativní katoda je titan ultrazvuková sonoelektroda (10 mm, speciální sonotroda s vysokou plochou povrchu, Hielscher UP100H, 100 wattů, 30kHz). Titanový sonoelektrod 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 napájení s konstantním napětím (přímý proud).
Vodíkový plyn a kyslíkový plyn produkovaný při elektrolýze zředěné kyseliny sírové se shromažďují v odstupňovaných vnějších trubkách nad každou elektrodou. Objem plynu vytěsní elektrolyt ve vnějších trubkách a lze měřit objem přídavného plynu. Teoretický poměr objemu plynu je 2:1. Během elektrolýzy je z elektrolytu odstraněna pouze voda jako vodíkový plyn a kyslíkový plyn. Koncentrace zředěné kyseliny sírové se proto během elektrolýzy mírně zvyšuje.
Video níže ukazuje sonoelektrolýzu zředěné kyseliny sírové pomocí pulzní ultrazvuku (100% amplituda, režim cyklu, 0,2 sekundy, 0,8 sekundy vypnuto). Oba testy byly provedeny při 2,1 V (DC, konstantní napětí).
Nastavení sonoelektrolýzy 2 – Jednoduchá dávka
Skleněná nádoba se naplní elektrolytem zředěné kyseliny sírové (H2SO4, 1,0M). V této jednoduché elektrolytické buňce jsou elektrody ponořeny do roztoku okyselené vody. Pozitivní anodová elektroda je vyrobena z uhlíku (8 mm). Negativní katoda je titan ultrazvuková sonoelektroda (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 wattů, 30kHz). Elektrolýza bude probíhat pouze tehdy, když elektřina prochází zředěným roztokem kyseliny sírové. Proto jsou uhlíková anoda a titanová katoda připojeny k napájení s konstantním napětím (přímý proud). Titanová elektroda a uhlíková elektroda jsou inertní. Vodíkový plyn a kyslíkový plyn produkovaný při elektrolýze zředěné kyseliny sírové se v tomto nastavení neshromažďují. Video níže ukazuje toto velmi jednoduché nastavení v provozu.
Co se stane během elektrolýzy?
Vodíkové ionty jsou přitahovány negativní katodou. Tam jsou molekuly vodíkových iontů nebo vody redukovány na molekuly vodíkového plynu ziskem elektronů. V důsledku toho jsou molekuly vodíkového plynu vypouštěné jako vodíkový plyn. Elektrolýza mnoha reaktivních kovových solí nebo kyselých roztoků produkuje vodík v negativní katodové elektrodě.
Negativní sulfátové ionty nebo stopy iontů hydroxidu jsou přitahovány pozitivní anodou. Samotný sulfátový iont je příliš stabilní, takže se nic neděje. Hydroxidové ionty nebo molekuly vody jsou vypouštěny a oxidovány v anodě, aby se vytvořil kyslík. Tato pozitivní anodová reakce je oxidační elektrodová reakce ztrátou elektronů.
Proč používáme zředěnou kyselinu sírovou?
Voda obsahuje pouze minutové koncentrace vodíkových iontů a iontů hydroxidu. To omezuje elektrickou vodivost. Vysoké koncentrace vodíkových iontů a síranových iontů ze zředěné kyseliny sírové zlepšují elektrickou vodivost elektrolytu. Alternativně můžete použít alkalický roztok elektrolytů, jako je hydroxid draselný (KOH) nebo hydroxid sodný (NAOH) a voda. Elektrolýza mnoha roztoků solí nebo kyseliny sírové produkuje vodík v negativní katodě a kyslík v pozitivní anodě. Elektrolýza kyseliny chlorovodíkové nebo chloridových solí vytváří chlor v anodě.
Co je elektrolyzéz?
Elektrolyzér je zařízení pro oddělení vody na vodík a kyslík v procesu známém jako elektrolýza. Elektrolyzér používá elektřinu k výrobě vodíkového plynu a kyslíkového plynu. Vodíkový plyn může být skladován jako stlačený nebo zkapalněný plyn. Vodík je nosič energie pro použití v vodíkových palivových článekech v automobilech, vlacích, autobusech nebo nákladních automobilech.
Základní elektrolyzér obsahuje katodu (záporný náboj) a anodu (kladný náboj) a periferní komponenty, jako jsou čerpadla, větrací otvory, akumulační nádrže, napájecí zdroj, separátor a další komponenty. Vodní elektrolýza je elektrochemická reakce, která se vyskytuje uvnitř elektrolyzáče. Anoda a katoda jsou napájeny přímým proudem a voda (H20) je rozdělena 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.