Sonoelektrolüütiline vesiniku tootmine lahjendatud väävelhappest
Lahjendatud väävelhappe elektrolüüs tekitab vesinikgaasi ja hapnikugaasi. Ultraheli vähendab difusioonikihi paksust elektroodi pinnal ja parandab massiülekannet elektrolüüsi ajal. Ultraheli võib suurendada vesinikgaasi tootmise kiirust elektrolüütilises rakus, oluliselt.
Allpool kirjeldatakse kahte eksperimentaalset seadistust süsiniku anoodi ja titaankatoodiga. Ultraheli positiivse mõju näitamiseks elektrolüüsile on titaankatood sonoelektrood. See lisab ultraheli vibratsiooni ja kavitatsiooni vesiniku ja hapniku elektrolüütilisele tootmisele lahjendatud väävelhappest. Ultraheli ja elektri kombinatsiooni kasutatakse sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis ja sonoelectrosynthesis.
Hielscheri ultraheli homogenisaator UP100H (100 vatti, 30kHz) on varustatud sonoelektrokeemilise uuendusega. See võimaldab kasutada sonotrode elektrolüütilises protsessis katoodina või anoodina. Tööstuslike sonoelektrolüütiliste seadistuste jaoks klõpsake siin!
Sonoelektriline katood UP100H ultraheli protsessoril
Sonoelektrolüüsi seadistamine 1 – H-tüüpi jagamata lahter
Seadistuses kasutatakse lahjendatud väävelhapet (H2SO4, 1,0M). H-tüüpi jagamata rakk täidetakse elektrolüüdiga. Seda rakku tuntakse kui Hofmanni voltameetrit. Sellel on kolm ühendatud püstist klaassilindrit. Sisemine silinder on üleval avatud, et võimaldada täitmist elektrolüüdiga. Ventiilide avamine välistorude ülaosas võimaldab mis tahes gaasil täitmise ajal põgeneda. Elektrolüütilises rakus suletakse elektroodid kummirõngastega ja kastetakse tagurpidi hapendatud vee lahusesse. Positiivne anoodielektrood on valmistatud süsinikust (8mm). Negatiivne katood on titaanist ultraheli sonoelektrode (10mm, spetsiaalne kõrge pindalaga sonotrode, Hielscher UP100H, 100 vatti, 30kHz). Titaanist sonoelektrood ja süsinikelektrood on inertsed. Elektrolüüs toimub ainult siis, kui elekter läbib lahjendatud väävelhappe lahust. Seetõttu on süsinikanood ja titaankatoodi ühendatud konstantse pinge toiteallikaga (alalisvool).
Lahjendatud väävelhappe elektrolüüsis toodetud vesinikgaas ja hapnikugaas kogutakse iga elektroodi kohal olevatesse gradueeritud välistorudesse. Gaasi maht nihutab elektrolüüdi välistorudesse ja täiendava gaasi mahtu saab mõõta. Gaasimahu teoreetiline suhe on 2:1. Elektrolüüsi ajal eemaldatakse elektrolüüdist ainult vesi vesinikgaasi ja hapnikugaasina. Seega tõuseb lahjendatud väävelhappe kontsentratsioon elektrolüüsi ajal veidi.
Allolev video näitab lahjendatud väävelhappe sonoelektrolüüsi, kasutades impulss-ultraheli (100% amplituud, tsükli režiim, 0,2 sekundit sisse lülitatud, 0,8 sekundit välja lülitatud). Mõlemad katsed viidi läbi 2,1V juures (alalisvool, konstantne pinge).
Sonoelektrolüüsi seadistamine 2 – Lihtne partii
Klaasanum täidetakse lahjendatud väävelhappe elektrolüüdiga (H2SO4, 1,0M). Selles lihtsas elektrolüütilises rakus kastetakse elektroodid hapestatud vee lahusesse. Positiivne anoodielektrood on valmistatud süsinikust (8mm). Negatiivne katood on titaanist ultraheli sonoelektrode (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vatti, 30kHz). Elektrolüüs toimub ainult siis, kui elekter läbib lahjendatud väävelhappe lahust. Seetõttu on süsinikanood ja titaankatoodi ühendatud konstantse pinge toiteallikaga (alalisvool). Titaanelektrood ja süsinikelektrood on inertsed. Selles seadistuses ei koguta vesinikgaasi ja lahjendatud väävelhappe elektrolüüsis tekkivat hapnikugaasi. Allolev video näitab seda väga lihtsat seadistust.
Mis juhtub elektrolüüsi ajal?
Vesinikioonid on meelitatud negatiivsele katoodile. Seal vähendatakse vesiniku iooni või vee molekule vesinikgaasi molekulideks elektronide abil. Selle tulemusena juhitakse vesinikgaasi molekulid vesinikgaasina. Paljude reaktiivsete metallisoolade või happelahuste elektrolüüs toodab vesinikku negatiivse katoodelektroodi juures.
Negatiivsed sulfaadiioonid või hüdroksiidi ioonide jäljed meelitavad positiivset anoodi. Sulfaadi ioon ise on liiga stabiilne, nii et midagi ei juhtu. Hüdroksiidi ioonid või veemolekulid tühjendatakse ja oksüdeeritakse anoodil hapniku moodustamiseks. See positiivne anoodireaktsioon on elektronide kadumise oksüdatsioonielektroodi reaktsioon.
Miks me kasutame lahjendatud väävelhapet?
Vesi sisaldab ainult vesinikioonide ja hüdroksiidioonide kontsentratsiooni minutis. See piirab elektrijuhtivust. Vesinikioonide ja sulfaadioonide kõrge kontsentratsioon lahjendatud väävelhappest parandab elektrolüüdi elektrijuhtivust. Teise võimalusena võite kasutada leeliselise elektrolüüdi lahust, nagu kaaliumhüdroksiid (KOH) või naatriumhüdroksiid (NAOH) ja vesi. Paljude soolade või väävelhappe lahuste elektrolüüs tekitab vesinikku negatiivses katoodis ja hapniku positiivses anoodis. Soolhappe või kloriidsoolade elektrolüüs tekitab anoodil kloori.
Mis on Electrolyzer?
Elektrolüüs on seade vee eraldamiseks vesinikuks ja hapnikuks protsessis, mida nimetatakse elektrolüüsiks. Elektrolüüs kasutab elektrit vesinikgaasi ja hapnikugaasi tootmiseks. Vesinikgaasi võib ladustada suru- või vedelgaasina. Vesinik on energiakandja kasutamiseks vesinikkütuseelemendis autodes, rongides, bussides või veoautodes.
Aluseline elektrolüüs sisaldab katoodi (negatiivne laeng) ja anoodi (positiivne laeng) ning perifeerseid komponente, nagu pumbad, ventilatsiooniavad, mahutid, toiteallikas, eraldaja ja muud komponendid. Vee elektrolüüs on elektrokeemiline reaktsioon, mis tekib elektrolüüsi sees. Anoodi ja katoodi toidab alalisvool ning vesi (H20) jaguneb selle komponentideks vesinik (H2) ja hapnik (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.