Sonoelectrolytisk brintproduktion fra fortyndet svovlsyre
Elektrolyse af fortyndet svovlsyre producerer brintgas og iltgas. Ultralydbehandling reducerer diffusionslagets tykkelse på elektrodeoverfladen og forbedrer masseoverførslen under elektrolyse. Ultralydbehandling kan øge produktionen af brintgas i den elektrolytiske celle betydeligt.
To eksperimentelle opsætninger med en carbon anode og en titanium katode er beskrevet nedenfor. For at demonstrere de positive virkninger af ultralydbehandling på elektrolysen er titaniumkatode et sonoelectrode. Dette tilføjer ultralydsvibrationer og kavitation til den elektrolytiske produktion af brint og ilt fra fortyndet svovlsyre. Kombinationen af ultralyd med elektricitet anvendes i sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis og sonoelectrosyntese.
Hielscher ultralyd homogenisator UP100H (100 watt, 30kHz) er udstyret med en sonoelectrochemical opgradering. Dette gør det muligt at bruge sonotroden som katode eller anode i en elektrolytisk proces. For industrielle sonoelectrolytic opsætninger, kan du klikke her!
Sonoelektrisk Katode på UP100H ultralydsprocessor
Opsætning af Sonoelectrolysis 1 – Udelt celle af H-typen
Opsætningen bruger fortyndet svovlsyre (H2SO4, 1.0M). En H-type udelt celle er fyldt med elektrolytten. Denne celle er kendt som et Hofmann Voltameter. Det har tre sluttede opretstående glascylindre. Den indvendige cylinder er åben øverst for at tillade påfyldning med elektrolyt. Åbning af ventilerne øverst på yderrørene gør det muligt for enhver gas at undslippe under påfyldning. I den elektrolytiske celle forsegles elektroderne af gummiringe og nedsænkes på hovedet i opløsningen af syrnet vand. Den positive anodeelektrode er lavet af kulstof (8mm). Den negative katode er en titanium ultralyd sonoelectrode (10mm, særlige høje overfladeareal sonotrode, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Titanium sonoelectrode og carbon elektroden er inerte. Elektrolyse vil kun finde sted, når elektriciteten passerer gennem den fortyndede svovlsyreopløsning. Derfor er carbon anoden og en titaniumkatode forbundet til en konstant spændingsstrømforsyning (jævnstrøm).
Brintgassen og iltgassen, der produceres i elektrolysen af den fortyndede svovlsyre, opsamles i de graduerede ydre rør over hver elektrode. Gasvolumenet fortrænger elektrolytten i yderrørene, og mængden af den ekstra gas kan måles. Det teoretiske forhold mellem gasmængden er 2:1. Under elektrolysen fjernes kun vand fra elektrolytten som brintgas og iltgas. Derfor stiger koncentrationen af den fortyndede svovlsyre lidt under elektrolysen.
Videoen nedenfor viser sonoelectrolysis af fortyndet svovlsyre ved hjælp af pulserende ultralyd (100% amplitude, cyklus mode, 0,2 sekunder på, 0,8 sekunder off). Begge test blev kørt ved 2.1V (DC, konstant spænding).
Opsætning af Sonoelectrolysis 2 – Simpel batch
En glasbeholder er fyldt med en elektrolyt af fortyndet svovlsyre (H2SO4, 1,0 M). I denne enkle elektrolytiske celle nedsænkes elektroderne i en opløsning af det syrnede vand. Den positive anodeelektrode er lavet af kulstof (8mm). Den negative katode er en titanium ultralyd sonoelectrode (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Elektrolyse vil kun finde sted, når elektriciteten passerer gennem den fortyndede svovlsyreopløsning. Derfor er carbon anoden og en titaniumkatode forbundet til en konstant spændingsstrømforsyning (jævnstrøm). Titaniumelektroden og kulstofelektroden er inerte. Brintgassen og iltgassen, der produceres i elektrolysen af den fortyndede svovlsyre, opsamles ikke i dette setup. Videoen nedenfor viser denne meget enkle opsætning i drift.
Hvad sker der under elektrolyse?
Brintionerne tiltrækkes af den negative katode. Der reduceres hydrogenionen eller vandmolekylerne til hydrogengasmolekyler ved en elektronforøgelse. Som følge heraf udledes hydrogengasmolekyler som brintgas. Elektrolysen af mange reaktive metalsalte eller syreopløsninger producerer brint ved den negative katodeelektrode.
De negative sulfationer eller sporene af hydroxidioner tiltrækkes af den positive anode. Selve sulfationen er for stabil, så der ikke sker noget. Hydroxidioner eller vandmolekyler udledes og oxideres ved anoden for at danne ilt. Denne positive anodereaktion er en oxidationselektrodereaktion ved et elektrontab.
Hvorfor bruger vi fortyndet svovlsyre?
Vand indeholder kun små koncentrationer af hydrogenioner og hydroxidioner. Dette begrænser elektrisk ledningsevne. Høje koncentrationer af hydrogenioner og sulfationer fra den fortyndede svovlsyre forbedrer elektrolyttens elektriske ledningsevne. Alternativt kan du bruge alkalisk elektrolytopløsning som kaliumhydroxid (KOH) eller natriumhydroxid (NAOH) og vand. Elektrolysen af mange opløsninger af salte eller svovlsyre producerer brint ved den negative katode og ilt ved den positive anode. Elektrolysen af saltsyre eller chloridsalte producerer klor ved anoden.
Hvad er en elektrolyzer?
En elektrolyzer er en anordning til at adskille vand i brint og ilt i en proces kendt som elektrolyse. Elektrolyzeren bruger elektricitet til at producere brintgas og iltgas. Brintgassen kan opbevares som komprimeret eller flydende gas. Brint er en energibærer til brug i brintbrændselscelle i biler, tog, busser eller lastbiler.
En grundlæggende elektrolyzer indeholder en katode (negativ ladning) og en anode (positiv ladning) og perifere komponenter, såsom pumper, ventilationskanaler, lagertanke, en strømforsyning, en separator og andre komponenter. Vandelektrolyse er en elektrokemisk reaktion, der opstår inden for elektrolyzeren. Anoden og katoden drives af en jævnstrøm, og vandet (H20) opdeles i komponenterne hydrogen (H2) og ilt (O2).
Litteratur / Referencer
- 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.