Sonoelektrolüütiline vesiniku tootmine lahjendatud väävelhappest
Lahjendatud väävelhappe elektrolüüsil tekivad vesinikgaas ja hapnikgaas. Ultraheli töötlus vähendab difusioonikihi paksust elektroodi pinnal ja parandab massiülekannet elektrolüüsi ajal. Ultraheli töötlus võib elektrolüüsirakus vesinikgaasi tootmiskiirust märkimisväärselt suurendada.
Allpool kirjeldatakse kahte katseseadet, milles on süsinikanood ja titaankatood. Ultraheli töötluse positiivse mõju demonstreerimiseks elektrolüüsile on titaankatood sonoelektrood. See lisab vesiniku ja hapniku elektrolüütilisele tootmisele lahjendatud väävelhappest ultrahelivibratsiooni ja kavitatsiooni. Ultraheli ja elektri kombinatsiooni kasutatakse sonoelektrokeemias, sonoelektrolüüsis ja sonoelektrosünteesis.
Hielscheri ultraheli homogenisaator UP100H (100 vatti, 30kHz) on varustatud sonoelektrokeemilise täiendusega. See võimaldab kasutada sonotroodi elektrolüütilises protsessis katoodi või anoodina. Tööstuslike sonoelektrolüütiliste seadmete kohta klõpsake siia!
Sonoelektriline katood ultraheliprotsessoril UP100H
Sonoelektrolüüsi seade 1 – H-tüüpi jagamata kamber
Seadmes kasutatakse lahjendatud väävelhapet (H2SO4, 1,0M). H-tüüpi jagamata kamber täidetakse elektrolüüdiga. Seda kambrit tuntakse Hofmanni voltameetrina. Sellel on kolm ühendatud püstist klaassilindrit. Keskmine silinder on ülaosas avatud, et võimaldada elektrolüüdi täitmist. Väliste torude ülaosas olevate ventiilide avamine laseb täitmise ajal igasugusel gaasil välja pääseda. Elektrolüüsikambris on elektroodid kummirõngastega suletud ja kastetud tagurpidi hapestatud vee lahusesse. Positiivne anoodelektrood on valmistatud süsinikust (8mm). Negatiivne katood on titaanist ultraheli sonoelektrood (10mm, spetsiaalne suure eripinnaga sonotrood, Hielscher UP100H, 100 vatti, 30kHz). Titaanist sonoelektrood ja süsinikelektrood on inertsed. Elektrolüüs toimub ainult siis, kui lahjendatud väävelhappe lahusest juhitakse läbi elektrivool. Seetõttu on süsinikanood ja titaankatood ühendatud konstantse pingega toiteallikaga (alalisvool).
Lahjendatud väävelhappe elektrolüüsil tekkinud vesinikgaas ja hapnikgaas kogutakse kraadistatud välistesse torudesse iga elektroodi kohal. Gaasi maht tõrjub elektrolüüdi välistes torudes välja ning täiendava gaasi mahtu saab mõõta. Gaaside mahtude teoreetiline suhe on 2:1. Elektrolüüsi ajal eemaldatakse elektrolüüdist ainult vesi vesinikgaasi ja hapnikgaasina. Seetõttu lahjendatud väävelhappe kontsentratsioon elektrolüüsi käigus veidi tõuseb.
Allolev video näitab lahjendatud väävelhappe sonoelektrolüüsi impulssse ultraheli töötlusega (100% amplituud, tsüklirežiim, 0,2 sekundit sees, 0,8 sekundit väljas). Mõlemad katsed viidi läbi pingel 2,1V (DC, konstantne pinge).
Sonoelektrolüüsi seade 2 – lihtne partiiprotsess
Klaasanum täidetakse lahjendatud väävelhappe elektrolüüdiga (H2SO4, 1,0M). Selles lihtsas elektrolüüsikambris kastetakse elektroodid hapestatud vee lahusesse. Positiivne anoodelektrood on valmistatud süsinikust (8mm). Negatiivne katood on titaanist ultraheli sonoelektrood (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vatti, 30kHz). Elektrolüüs toimub ainult siis, kui lahjendatud väävelhappe lahusest juhitakse läbi elektrivool. Seetõttu on süsinikanood ja titaankatood ühendatud konstantse pingega toiteallikaga (alalisvool). Titaanelektrood ja süsinikelektrood on inertsed. Lahjendatud väävelhappe elektrolüüsil tekkinud vesinikgaasi ja hapnikgaasi selles seadmes ei koguta. Allolev video näitab selle väga lihtsa seadme tööd.
Mis toimub elektrolüüsi ajal?
Vesinikioonid tõmbuvad negatiivse katoodi poole. Seal redutseeruvad vesinikioon või veemolekulid elektroni liitmisel vesinikgaasi molekulideks. Selle tulemusena eralduvad vesinikgaasi molekulid vesinikgaasina. Paljude reaktiivsete metallide soolade või happelahuste elektrolüüs tekitab vesinikku negatiivsel katoodelektroodil.
Negatiivsed sulfaatioonid või hüdroksiidioonide jäljed tõmbuvad positiivse anoodi poole. Sulfaatioon ise on liiga stabiilne, mistõttu midagi ei juhtu. Hüdroksiidioonid või veemolekulid eralduvad ja oksüdeeruvad anoodil, moodustades hapniku. See positiivse anoodi reaktsioon on elektroodi oksüdatsioonireaktsioon elektroni kaotuse teel.
Miks me kasutame lahjendatud väävelhapet?
Vesi sisaldab vesinikioone ja hüdroksiidioone ainult väga väikestes kontsentratsioonides. See piirab elektrijuhtivust. Lahjendatud väävelhappe vesinikioonide ja sulfaatioonide suur kontsentratsioon parandab elektrolüüdi elektrijuhtivust. Alternatiivina võib kasutada leeliselist elektrolüütlahust, näiteks kaaliumhüdroksiidi (KOH) või naatriumhüdroksiidi (NAOH), ning vett. Paljude soolade või väävelhappe lahuste elektrolüüs tekitab vesinikku negatiivsel katoodil ja hapnikku positiivsel anoodil. Vesinikkloriidhappe või kloriidsoolade elektrolüüs tekitab anoodil kloori.
Mis on elektrolüüser?
Elektrolüüser on seade vee lahutamiseks vesinikuks ja hapnikuks protsessis, mida nimetatakse elektrolüüsiks. Elektrolüüser kasutab vesinikgaasi ja hapnikgaasi tootmiseks elektrit. Vesinikgaasi saab hoiustada suruõhugaasina või veeldatud gaasina. Vesinik on energiakandja, mida kasutatakse vesiniku kütuseelementides autodes, rongides, bussides või veokites.
Põhiline elektrolüüser sisaldab katoodi (negatiivne laeng) ja anoodi (positiivne laeng) ning lisakomponente, nagu pumbad, ventilatsiooniavad, mahutid, toiteallikas, separaator ja muud komponendid. Vee elektrolüüs on elektrokeemiline reaktsioon, mis toimub elektrolüüseri sees. Anoodi ja katoodi toidetakse alalisvooluga ning vesi (H20) lagundatakse oma koostisosadeks vesinikuks (H2) ja hapnikuks (O2).
Kirjandus / viited
- 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.