Ηχοηλεκτρολυτική παραγωγή υδρογόνου από αραιό θειικό οξύ
Η ηλεκτρόλυση αραιού θειικού οξέος παράγει αέριο υδρογόνο και αέριο οξυγόνο. Η κατεργασία με υπερήχους μειώνει το πάχος της στιβάδας διάχυσης στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και βελτιώνει τη μεταφορά μάζας κατά την ηλεκτρόλυση. Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να αυξήσει σημαντικά τους ρυθμούς παραγωγής αέριου υδρογόνου στην ηλεκτρολυτική κυψελίδα.
Παρακάτω περιγράφονται δύο πειραματικές διατάξεις με άνοδο από άνθρακα και κάθοδο από τιτάνιο. Για να καταδειχθούν οι θετικές επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους στην ηλεκτρόλυση, η κάθοδος τιτανίου είναι ηχοηλεκτρόδιο. Έτσι προστίθενται δονήσεις υπερήχων και σπηλαίωση στην ηλεκτρολυτική παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου από αραιό θειικό οξύ. Ο συνδυασμός υπερήχων και ηλεκτρισμού χρησιμοποιείται στην ηχοηλεκτροχημεία, την ηχοηλεκτρόλυση και την ηχοηλεκτροσύνθεση.
Ο ομογενοποιητής υπερήχων UP100H της Hielscher (100 watts, 30kHz) είναι εξοπλισμένος με αναβάθμιση για ηχοηλεκτροχημικές εφαρμογές. Αυτή επιτρέπει τη χρήση του ηχοτροδίου ως καθόδου ή ανόδου σε μια ηλεκτρολυτική διεργασία. Για βιομηχανικές διατάξεις ηχοηλεκτρόλυσης, κάντε κλικ εδώ!
Ηχοηλεκτρική κάθοδος στον επεξεργαστή υπερήχων UP100H
Διάταξη ηχοηλεκτρόλυσης 1 – Μη διαχωρισμένη κυψελίδα τύπου H
Η διάταξη χρησιμοποιεί αραιό θειικό οξύ (H2SO4, 1,0M). Μια μη διαχωρισμένη κυψελίδα τύπου H γεμίζεται με τον ηλεκτρολύτη. Η κυψελίδα αυτή είναι γνωστή ως βολτάμετρο Hofmann. Διαθέτει τρεις συνδεδεμένους κατακόρυφους γυάλινους κυλίνδρους. Ο εσωτερικός κύλινδρος είναι ανοιχτός στο επάνω μέρος, ώστε να επιτρέπει την πλήρωση με ηλεκτρολύτη. Το άνοιγμα των βαλβίδων στο επάνω μέρος των εξωτερικών σωλήνων επιτρέπει τη διαφυγή τυχόν αερίου κατά την πλήρωση. Στην ηλεκτρολυτική κυψελίδα, τα ηλεκτρόδια στεγανοποιούνται με ελαστικούς δακτυλίους και βυθίζονται ανεστραμμένα στο διάλυμα οξινισμένου νερού. Το θετικό ηλεκτρόδιο της ανόδου είναι κατασκευασμένο από άνθρακα (8mm). Η αρνητική κάθοδος είναι ένα ηχοηλεκτρόδιο υπερήχων από τιτάνιο (10mm, ειδικό ηχοτρόδιο μεγάλης επιφάνειας, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). Το ηχοηλεκτρόδιο τιτανίου και το ηλεκτρόδιο άνθρακα είναι αδρανή. Η ηλεκτρόλυση πραγματοποιείται μόνο όταν ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το διάλυμα αραιού θειικού οξέος. Επομένως, η άνοδος άνθρακα και μια κάθοδος τιτανίου συνδέονται σε τροφοδοτικό 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 εκτοπίζει τον ηλεκτρολύτη στους εξωτερικούς σωλήνες και ο όγκος του επιπλέον αερίου μπορεί να μετρηθεί. Η θεωρητική αναλογία των όγκων των αερίων είναι 2:1. Κατά την ηλεκτρόλυση, μόνο νερό απομακρύνεται από τον ηλεκτρολύτη με τη μορφή αέριου υδρογόνου και αέριου οξυγόνου. Συνεπώς, η συγκέντρωση του αραιού θειικού οξέος αυξάνεται ελαφρώς κατά την ηλεκτρόλυση.
Το παρακάτω βίντεο δείχνει την ηχοηλεκτρόλυση αραιού θειικού οξέος με παλμική κατεργασία με υπερήχους (100% πλάτος ταλάντωσης, κυκλική λειτουργία, 0,2 δευτερόλεπτα ενεργοποίησης, 0,8 δευτερόλεπτα απενεργοποίησης). Και οι δύο δοκιμές πραγματοποιήθηκαν στα 2,1V (DC, σταθερή τάση).
Διάταξη ηχοηλεκτρόλυσης 2 – Απλή λειτουργία κατά παρτίδες
Ένα γυάλινο δοχείο γεμίζεται με ηλεκτρολύτη αραιού θειικού οξέος (H2SO4, 1,0M). Σε αυτή την απλή ηλεκτρολυτική κυψελίδα, τα ηλεκτρόδια βυθίζονται σε διάλυμα οξινισμένου νερού. Το θετικό ηλεκτρόδιο της ανόδου είναι κατασκευασμένο από άνθρακα (8mm). Η αρνητική κάθοδος είναι ένα ηχοηλεκτρόδιο υπερήχων από τιτάνιο (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). Η ηλεκτρόλυση πραγματοποιείται μόνο όταν ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το διάλυμα αραιού θειικού οξέος. Επομένως, η άνοδος άνθρακα και μια κάθοδος τιτανίου συνδέονται σε τροφοδοτικό 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 αυτή την πολύ απλή διάταξη σε λειτουργία.
Τι συμβαίνει κατά την ηλεκτρόλυση;
Τα ιόντα υδρογόνου έλκονται προς την αρνητική κάθοδο. Εκεί, τα ιόντα υδρογόνου ή τα μόρια νερού ανάγονται σε μόρια αέριου υδρογόνου με πρόσληψη ηλεκτρονίων. Ως αποτέλεσμα, τα μόρια αέριου υδρογόνου απελευθερώνονται ως αέριο υδρογόνο. Η ηλεκτρόλυση πολλών αλάτων δραστικών μετάλλων ή όξινων διαλυμάτων παράγει υδρογόνο στο αρνητικό ηλεκτρόδιο της καθόδου.
Τα αρνητικά θειικά ιόντα ή τα ίχνη ιόντων υδροξειδίου έλκονται προς τη θετική άνοδο. Το ίδιο το θειικό ιόν είναι υπερβολικά σταθερό, οπότε δεν συμβαίνει τίποτα. Τα ιόντα υδροξειδίου ή τα μόρια νερού εκφορτίζονται και οξειδώνονται στην άνοδο, σχηματίζοντας οξυγόνο. Αυτή η αντίδραση στη θετική άνοδο είναι μια ηλεκτροδιακή αντίδραση οξείδωσης με απώλεια ηλεκτρονίων.
Γιατί χρησιμοποιούμε αραιό θειικό οξύ;
Το νερό περιέχει μόνο ελάχιστες συγκεντρώσεις ιόντων υδρογόνου και ιόντων υδροξειδίου. Αυτό περιορίζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Οι 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 υδροχλωρικού οξέος ή χλωριούχων αλάτων παράγει χλώριο στην άνοδο.
Τι είναι μια συσκευή ηλεκτρόλυσης;
Μια συσκευή ηλεκτρόλυσης είναι μια συσκευή που διασπά το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο με μια διεργασία γνωστή ως ηλεκτρόλυση. Η συσκευή ηλεκτρόλυσης χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για την παραγωγή αέριου υδρογόνου και αέριου οξυγόνου. Το αέριο υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί ως συμπιεσμένο ή υγροποιημένο αέριο. Το υδρογόνο είναι φορέας ενέργειας για χρήση σε κυψέλες καυσίμου υδρογόνου σε αυτοκίνητα, τρένα, λεωφορεία ή φορτηγά.
Μια βασική συσκευή ηλεκτρόλυσης περιλαμβάνει μια κάθοδο (αρνητικό φορτίο) και μια άνοδο (θετικό φορτίο), καθώς και περιφερειακά εξαρτήματα, όπως αντλίες, εξαεριστικά, δεξαμενές αποθήκευσης, τροφοδοτικό, διαχωριστή και άλλα εξαρτήματα. Η ηλεκτρόλυση του νερού είναι μια ηλεκτροχημική αντίδραση που λαμβάνει χώρα μέσα στη συσκευή ηλεκτρόλυσης. Η άνοδος και η κάθοδος τροφοδοτούνται με συνεχές ρεύμα και το νερό (H20) διασπάται 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.