Producción sonoelectrolítica de hidrógeno a partir de ácido sulfúrico diluido
La electrólisis del ácido sulfúrico diluido produce hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso. La ultrasonicación reduce el espesor de la capa de difusión en la superficie del electrodo y mejora la transferencia de masa durante la electrólisis. La ultrasonicación puede aumentar significativamente las tasas de producción de hidrógeno gaseoso en la celda electrolítica.
A continuación se describen dos montajes experimentales con un ánodo de carbono y un cátodo de titanio. Para demostrar los efectos positivos de la ultrasonicación sobre la electrólisis, el cátodo de titanio es un sonoelectrodo. Esto incorpora vibraciones ultrasónicas y cavitación a la producción electrolítica de hidrógeno y oxígeno a partir de ácido sulfúrico diluido. La combinación de ultrasonidos con electricidad se utiliza en sonoelectroquímica, sonoelectrólisis y sonoelectrosíntesis.
El homogeneizador ultrasónico UP100H de Hielscher (100 vatios, 30 kHz) está equipado con una adaptación para sonoelectroquímica. Esto permite utilizar el sonotrodo como cátodo o ánodo en un proceso electrolítico. ¡Haga clic aquí para consultar los montajes sonoelectrolíticos industriales!
Cátodo sonoeléctrico en el procesador ultrasónico UP100H
Montaje de sonoelectrólisis 1 – Celda no dividida de tipo H
El montaje utiliza ácido sulfúrico diluido (H2SO4, 1,0M). Una celda no dividida de tipo H se llena con el electrolito. Esta celda se conoce como voltámetro de Hofmann. Tiene tres cilindros verticales de vidrio conectados entre sí. El cilindro central está abierto por la parte superior para permitir el llenado con electrolito. Al abrir las válvulas situadas en la parte superior de los tubos exteriores, los gases pueden escapar durante el llenado. En la celda electrolítica, los electrodos están sellados mediante anillos de goma y se sumergen en posición invertida en la solución de agua acidificada. El electrodo positivo, el ánodo, es de carbono (8 mm). El cátodo negativo es un sonoelectrodo ultrasónico de titanio (10 mm, sonotrodo especial de gran superficie, Hielscher UP100H, 100 vatios, 30 kHz). El sonoelectrodo de titanio y el electrodo de carbono son inertes. La electrólisis solo se produce cuando se hace pasar corriente eléctrica a través de la solución de ácido sulfúrico diluido. Por ello, el ánodo de carbono y un cátodo de titanio se conectan a una fuente de alimentación de tensión constante (corriente continua).
El hidrógeno gaseoso y el oxígeno gaseoso producidos durante la electrólisis del ácido sulfúrico diluido se recogen en los tubos exteriores graduados situados sobre cada electrodo. El volumen de gas desplaza el electrolito en los tubos exteriores, lo que permite medir el volumen de gas adicional. La relación teórica entre los volúmenes de gas es de 2:1. Durante la electrólisis, únicamente se extrae agua del electrolito en forma de hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso. Por tanto, la concentración del ácido sulfúrico diluido aumenta ligeramente durante la electrólisis.
El siguiente vídeo muestra la sonoelectrólisis del ácido sulfúrico diluido mediante ultrasonicación pulsada (100% de amplitud, modo cíclico, 0,2 segundos de activación, 0,8 segundos de desactivación). Ambas pruebas se realizaron a 2,1 V (corriente continua, tensión constante).
Montaje de sonoelectrólisis 2 – Sistema sencillo por lotes
Un recipiente de vidrio se llena con un electrolito de ácido sulfúrico diluido (H2SO4, 1,0M). En esta sencilla celda electrolítica, los electrodos se sumergen en una solución de agua acidificada. El electrodo positivo, el ánodo, es de carbono (8 mm). El cátodo negativo es un sonoelectrodo ultrasónico de titanio (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vatios, 30 kHz). La electrólisis solo se produce cuando se hace pasar corriente eléctrica a través de la solución de ácido sulfúrico diluido. Por ello, el ánodo de carbono y un cátodo de titanio se conectan a una fuente de alimentación de tensión constante (corriente continua). El electrodo de titanio y el electrodo de carbono son inertes. En este montaje no se recogen el hidrógeno gaseoso ni el oxígeno gaseoso producidos durante la electrólisis del ácido sulfúrico diluido. El siguiente vídeo muestra este montaje muy sencillo en funcionamiento.
¿Qué ocurre durante la electrólisis?
Los iones de hidrógeno son atraídos hacia el cátodo negativo. Allí, los iones de hidrógeno o las moléculas de agua se reducen a moléculas de hidrógeno gaseoso al ganar electrones. Como resultado, las moléculas de hidrógeno se liberan en forma de gas. La electrólisis de muchas sales de metales reactivos o soluciones ácidas produce hidrógeno en el electrodo catódico negativo.
Los iones sulfato negativos o las trazas de iones hidróxido son atraídos hacia el ánodo positivo. El propio ion sulfato es demasiado estable, por lo que no ocurre ninguna reacción. Los iones hidróxido o las moléculas de agua se descargan y se oxidan en el ánodo para formar oxígeno. Esta reacción en el ánodo positivo es una reacción de oxidación en el electrodo que implica la pérdida de electrones.
¿Por qué utilizamos ácido sulfúrico diluido?
El agua solo contiene concentraciones ínfimas de iones de hidrógeno e iones hidróxido. Esto limita la conductividad eléctrica. Las elevadas concentraciones de iones de hidrógeno e iones sulfato procedentes del ácido sulfúrico diluido mejoran la conductividad eléctrica del electrolito. Como alternativa, se puede utilizar una solución electrolítica alcalina, como hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NAOH), y agua. La electrólisis de muchas soluciones de sales o de ácido sulfúrico produce hidrógeno en el cátodo negativo y oxígeno en el ánodo positivo. La electrólisis del ácido clorhídrico o de sales de cloruro produce cloro en el ánodo.
¿Qué es un electrolizador?
Un electrolizador es un dispositivo que separa el agua en hidrógeno y oxígeno mediante un proceso conocido como electrólisis. El electrolizador utiliza electricidad para producir hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso. El hidrógeno gaseoso puede almacenarse como gas comprimido o licuado. El hidrógeno es un vector energético que se utiliza en pilas de combustible de hidrógeno en coches, trenes, autobuses o camiones.
Un electrolizador básico contiene un cátodo (carga negativa), un ánodo (carga positiva) y componentes periféricos, como bombas, respiraderos, depósitos de almacenamiento, una fuente de alimentación, un separador y otros componentes. La electrólisis del agua es una reacción electroquímica que tiene lugar dentro del electrolizador. El ánodo y el cátodo se alimentan con corriente continua y el agua (H20) se descompone en sus componentes: hidrógeno (H2) y oxígeno (O2).
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