Παραγωγή Sonoelectrolytic υδρογόνου από αραιό θειικό οξύ
Η ηλεκτρόλυση αραιού θειικού οξέος παράγει αέριο υδρογόνο και αέριο οξυγόνο. Υπερήχους μειώνει το πάχος του στρώματος διάχυσης στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και βελτιώνει τη μεταφορά μάζας κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης. Υπερήχους μπορεί να αυξήσει τα ποσοστά παραγωγής αερίου υδρογόνου στο ηλεκτρολυτικό κύτταρο, σημαντικά.
Δύο πειραματικές διατάξεις με άνοδο άνθρακα και κάθοδο τιτανίου περιγράφονται παρακάτω. Για να αποδειχθούν οι θετικές επιδράσεις της υπερήχων στην ηλεκτρόλυση, η κάθοδος τιτανίου είναι ένα sonoelectrod. Αυτό προσθέτει υπερηχητικές δονήσεις και σπηλαίωση στην ηλεκτρολυτική παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου από αραιό θειικό οξύ. Ο συνδυασμός υπερήχων με ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται στη sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis και sonoelectrosynthesis.
Ο υπερηχητικός ομογενοποιητής Hielscher UP100H (100 watt, 30kHz) είναι εξοπλισμένος με sonoelectrochemical αναβάθμιση. Αυτό επιτρέπει τη χρήση του sonotrode ως καθόδου ή ανόδου σε μια ηλεκτρολυτική διαδικασία. Για βιομηχανικές sonoelectrolytic ρυθμίσεις, κάντε κλικ εδώ!
Ρύθμιση Sonoelectrolysis 1 – Αδιαίρετο κελί τύπου H
Η εγκατάσταση χρησιμοποιεί αραιό θειικό οξύ (H2SO4, 1.0M). Ένα αδιαίρετο κύτταρο τύπου H γεμίζει με τον ηλεκτρολύτη. Αυτό το κύτταρο είναι γνωστό ως βολτόμετρο Hofmann. Έχει τρεις ενωμένους όρθιους γυάλινους κυλίνδρους. Ο εσωτερικός κύλινδρος είναι ανοιχτός στην κορυφή για να επιτρέψει την πλήρωση με ηλεκτρολύτη. Το άνοιγμα των βαλβίδων στην κορυφή των εξωτερικών σωλήνων επιτρέπει τη διαφυγή οποιουδήποτε αερίου κατά την πλήρωση. Στο ηλεκτρολυτικό στοιχείο, τα ηλεκτρόδια σφραγίζονται με ελαστικούς δακτυλίους και βυθίζονται ανάποδα στο διάλυμα οξινισμένου νερού. Το θετικό ηλεκτρόδιο ανόδου είναι κατασκευασμένο από άνθρακα (8mm). Η αρνητική κάθοδος είναι ένα υπερηχητικό sonoelectrode τιτανίου (10mm, ειδική sonotrode υψηλής επιφάνειας, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Το sonoelectrode τιτανίου και το ηλεκτρόδιο άνθρακα είναι αδρανή. Η ηλεκτρόλυση θα πραγματοποιηθεί μόνο όταν η ηλεκτρική ενέργεια διέρχεται μέσω του αραιού διαλύματος θειικού οξέος. Επομένως, η άνοδος άνθρακα και μια κάθοδος τιτανίου συνδέονται με τροφοδοσία σταθερής τάσης (συνεχές ρεύμα).
Το αέριο υδρογόνο και το αέριο οξυγόνο που παράγονται κατά την ηλεκτρόλυση του αραιού θειικού οξέος συλλέγονται στους βαθμονομημένους εξωτερικούς σωλήνες πάνω από κάθε ηλεκτρόδιο. Ο όγκος του αερίου μετατοπίζει τον ηλεκτρολύτη στους εξωτερικούς σωλήνες και μπορεί να μετρηθεί ο όγκος του πρόσθετου αερίου. Η θεωρητική αναλογία του όγκου αερίου είναι 2:1. Κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης, μόνο νερό αφαιρείται από τον ηλεκτρολύτη ως αέριο υδρογόνο και αέριο οξυγόνο. Ως εκ τούτου, η συγκέντρωση του αραιού θειικού οξέος αυξάνεται ελαφρώς κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης.
Το παρακάτω βίντεο δείχνει τη sonoelectrolysis του αραιού θειικού οξέος χρησιμοποιώντας παλμική υπερήχους (100% πλάτος, λειτουργία κύκλου, 0,2 δευτερόλεπτα επάνω, 0,8 δευτερόλεπτα μακριά). Και οι δύο δοκιμές εκτελέστηκαν στα 2.1V (DC, σταθερή τάση).
Ρύθμιση Sonoelectrolysis 2 – Απλή παρτίδα
Ένα γυάλινο δοχείο γεμίζεται με έναν ηλεκτρολύτη αραιού θειικού οξέος (H2SO4, 1,0M). Σε αυτό το απλό ηλεκτρολυτικό στοιχείο, τα ηλεκτρόδια βυθίζονται σε ένα διάλυμα οξινισμένου νερού. Το θετικό ηλεκτρόδιο ανόδου είναι κατασκευασμένο από άνθρακα (8mm). Η αρνητική κάθοδος είναι ένα υπερηχητικό sonoelectrode τιτανίου (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Η ηλεκτρόλυση θα πραγματοποιηθεί μόνο όταν η ηλεκτρική ενέργεια διέρχεται μέσω του αραιού διαλύματος θειικού οξέος. Επομένως, η άνοδος άνθρακα και μια κάθοδος τιτανίου συνδέονται με τροφοδοσία σταθερής τάσης (συνεχές ρεύμα). Το ηλεκτρόδιο τιτανίου και το ηλεκτρόδιο άνθρακα είναι αδρανή. Το αέριο υδρογόνο και το αέριο οξυγόνο που παράγονται κατά την ηλεκτρόλυση του αραιού θειικού οξέος δεν συλλέγονται σε αυτή τη διάταξη. Το παρακάτω βίντεο δείχνει αυτήν την πολύ απλή ρύθμιση σε λειτουργία.
Caution: Video "duration" is missing
Τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης;
Τα ιόντα υδρογόνου έλκονται από την αρνητική κάθοδο. Εκεί, τα μόρια ιόντων υδρογόνου ή νερού ανάγονται σε μόρια αερίου υδρογόνου με κέρδος ηλεκτρονίων. Ως αποτέλεσμα, τα μόρια αερίου υδρογόνου απορρίπτονται ως αέριο υδρογόνο. Η ηλεκτρόλυση πολλών δραστικών μεταλλικών αλάτων ή όξινων διαλυμάτων παράγει υδρογόνο στο αρνητικό ηλεκτρόδιο καθόδου.
Τα αρνητικά θειικά ιόντα ή τα ίχνη ιόντων υδροξειδίου έλκονται από τη θετική άνοδο. Το ίδιο το θειικό ιόν είναι πολύ σταθερό, έτσι ώστε να μην συμβαίνει τίποτα. Ιόντα υδροξειδίου ή μόρια νερού εκκενώνονται και οξειδώνονται στην άνοδο για να σχηματίσουν οξυγόνο. Αυτή η θετική αντίδραση ανόδου είναι μια αντίδραση ηλεκτροδίου οξείδωσης από απώλεια ηλεκτρονίων.
Γιατί χρησιμοποιούμε αραιό θειικό οξύ;
Το νερό περιέχει μόνο μικρές συγκεντρώσεις ιόντων υδρογόνου και ιόντων υδροξειδίου. Αυτό περιορίζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Υψηλές συγκεντρώσεις ιόντων υδρογόνου και θειικών ιόντων από το αραιό θειικό οξύ βελτιώνουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη. Εναλλακτικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αλκαλικό διάλυμα ηλεκτρολύτη όπως υδροξείδιο του καλίου (KOH) ή υδροξείδιο του νατρίου (NAOH) και νερό. Η ηλεκτρόλυση πολλών διαλυμάτων αλάτων ή θειικού οξέος παράγει υδρογόνο στην αρνητική κάθοδο και οξυγόνο στη θετική άνοδο. Η ηλεκτρόλυση του υδροχλωρικού οξέος ή των χλωριούχων αλάτων παράγει χλώριο στην άνοδο.
Τι είναι ο ηλεκτρολύτης;
Ένας ηλεκτρολύτης είναι μια συσκευή για το διαχωρισμό του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο σε μια διαδικασία γνωστή ως ηλεκτρόλυση. Ο ηλεκτρολύτης χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για την παραγωγή αερίου υδρογόνου και αερίου οξυγόνου. Το αέριο υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί ως συμπιεσμένο ή υγροποιημένο αέριο. Το υδρογόνο είναι ένας φορέας ενέργειας για χρήση σε κυψέλες καυσίμου υδρογόνου σε αυτοκίνητα, τρένα, λεωφορεία ή φορτηγά.
Ένας βασικός ηλεκτρολύτης περιέχει μια κάθοδο (αρνητικό φορτίο) και μια άνοδο (θετικό φορτίο) και περιφερειακά εξαρτήματα, όπως αντλίες, αεραγωγούς, δεξαμενές αποθήκευσης, τροφοδοτικό, διαχωριστή και άλλα εξαρτήματα. Η ηλεκτρόλυση νερού είναι μια ηλεκτροχημική αντίδραση που συμβαίνει μέσα στον ηλεκτρολύτη. Η άνοδος και η κάθοδος τροφοδοτούνται από συνεχές ρεύμα και το νερό (H20) χωρίζεται στα συστατικά του υδρογόνο (H2) και οξυγόνο (O2).
Βιβλιογραφία? Αναφορές
- 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.