Sonoelektrolytisk brintproduktion fra fortyndet svovlsyre
Elektrolyse af fortyndet svovlsyre producerer brintgas og iltgas. Sonikering reducerer diffusionslagets tykkelse ved elektrodeoverfladen og forbedrer masseoverførslen under elektrolyse. Sonikering kan øge produktionshastigheden for brintgas i elektrolysecellen betydeligt.
To forsøgsopstillinger med en kulstofanode og en titankatode beskrives nedenfor. For at demonstrere sonikeringens positive virkninger på elektrolysen anvendes titankatoden som sonoelektrode. Dette tilfører ultralydsvibrationer og kavitation til den elektrolytiske produktion af brint og ilt fra fortyndet svovlsyre. Kombinationen af ultralyd og elektricitet anvendes i sonoelektrokemi, sonoelektrolyse og sonoelektrosyntese.
Hielscher ultralydshomogenisatoren UP100H (100 watt, 30kHz) er udstyret med en sonoelektrokemisk opgradering. Dette gør det muligt at bruge sonotroden som katode eller anode i en elektrolytisk proces. Klik her for industrielle sonoelektrolytiske opstillinger!
Sonoelektrisk katode på ultralydsprocessoren UP100H
Sonoelektrolyseopstilling 1 – Udelt celle af H-typen
Opstillingen anvender fortyndet svovlsyre (H2SO4, 1,0M). En udelt celle af H-typen fyldes med elektrolytten. Denne celle er kendt som et Hofmann-voltameter. Den har tre sammenkoblede, lodrette glascylindre. Den midterste cylinder er åben foroven, så der kan påfyldes elektrolyt. Ved at åbne ventilerne øverst på de ydre rør kan eventuel gas slippe ud under påfyldningen. I elektrolysecellen tætnes elektroderne med gummiringe og nedsænkes med bunden opad i opløsningen af syrnet vand. Den positive anodeelektrode er fremstillet af kulstof (8mm). Den negative katode er en ultralydssonoelektrode af titan (10mm, særlig sonotrode med stort overfladeareal, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Titansonoelektroden og kulstofelektroden er inerte. Elektrolyse finder kun sted, når der ledes elektrisk strøm gennem den fortyndede svovlsyreopløsning. Derfor er kulstofanoden og en titankatode tilsluttet en strømforsyning med konstant spænding (jævnstrøm).
Brintgassen og iltgassen, der produceres ved elektrolysen af den fortyndede svovlsyre, opsamles i de graduerede ydre rør over hver elektrode. Gasvolumenet fortrænger elektrolytten i de ydre rør, og volumenet af den yderligere gas kan måles. Det teoretiske forhold mellem gasvolumenerne er 2:1. Under elektrolysen fjernes kun vand fra elektrolytten i form af brintgas og iltgas. Derfor stiger koncentrationen af den fortyndede svovlsyre en smule under elektrolysen.
Videoen nedenfor viser sonoelektrolysen af fortyndet svovlsyre med pulseret sonikering (100% amplitude, cyklustilstand, 0,2 sekunder tændt, 0,8 sekunder slukket). Begge forsøg blev udført ved 2,1V (jævnstrøm, konstant spænding).
Sonoelektrolyseopstilling 2 – Enkel batchproces
En glasbeholder fyldes med en elektrolyt bestående af fortyndet svovlsyre (H2SO4, 1,0M). I denne enkle elektrolysecelle nedsænkes elektroderne i en opløsning af det syrnede vand. Den positive anodeelektrode er fremstillet af kulstof (8mm). Den negative katode er en ultralydssonoelektrode af titan (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Elektrolyse finder kun sted, når der ledes elektrisk strøm gennem den fortyndede svovlsyreopløsning. Derfor er kulstofanoden og en titankatode tilsluttet en strømforsyning med konstant spænding (jævnstrøm). Titanelektroden og kulstofelektroden er inerte. Brintgassen og iltgassen, der produceres ved elektrolysen af den fortyndede svovlsyre, opsamles ikke i denne opstilling. Videoen nedenfor viser denne meget enkle opstilling i drift.
Hvad sker der under elektrolyse?
Hydrogenionerne tiltrækkes af den negative katode. Her reduceres hydrogenionen eller vandmolekylerne til brintgasmolekyler ved optagelse af elektroner. Som følge heraf frigives brintgasmolekyler som brintgas. Elektrolyse af mange reaktive metalsalte eller syreopløsninger producerer brint ved den negative katodeelektrode.
De negative sulfationer eller spormængderne af hydroxidioner tiltrækkes af den positive anode. Selve sulfationen er for stabil, så der sker ikke noget. Hydroxidioner eller vandmolekyler aflades og oxideres ved anoden, så der dannes ilt. Denne reaktion ved den positive anode er en elektrodereaktion med oxidation ved afgivelse af elektroner.
Hvorfor bruger vi fortyndet svovlsyre?
Vand indeholder kun meget små koncentrationer af hydrogenioner og hydroxidioner. Dette begrænser den elektriske ledningsevne. Høje koncentrationer af hydrogenioner og sulfationer fra den fortyndede svovlsyre forbedrer elektrolyttens elektriske ledningsevne. Alternativt kan du bruge en alkalisk elektrolytopløsning såsom kaliumhydroxid (KOH) eller natriumhydroxid (NAOH) samt vand. Elektrolyse af mange opløsninger af salte eller svovlsyre producerer brint ved den negative katode og ilt ved den positive anode. Elektrolyse af saltsyre eller kloridsalte producerer klor ved anoden.
Hvad er en elektrolysator?
En elektrolysator er en anordning, der spalter vand i brint og ilt i en proces, der kaldes elektrolyse. Elektrolysatoren bruger elektricitet til at producere brintgas og iltgas. Brintgassen kan lagres som komprimeret eller flydende gas. Brint er en energibærer til brug i brintbrændselsceller i biler, tog, busser eller lastbiler.
En grundlæggende elektrolysator indeholder en katode (negativ ladning) og en anode (positiv ladning) samt perifere komponenter såsom pumper, udluftningsåbninger, lagertanke, en strømforsyning, en separator og andre komponenter. Vandelektrolyse er en elektrokemisk reaktion, der finder sted inde i elektrolysatoren. Anoden og katoden forsynes med jævnstrøm, og vandet (H20) spaltes i sine bestanddele brint (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.