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 oluliselt suurendada vesinikgaasi tootmise kiirust elektrolüütilises rakus.
Allpool kirjeldatakse kahte eksperimentaalset seadistust süsinikanoodi 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 sonoelektrokeemias, sonoelektrolüüsis ja sonoelektrosünteesis.
Hielscheri ultraheli homogenisaator UP100H (100 vatti, 30 kHz) on varustatud sonoelektrokeemilise uuendusega. See võimaldab kasutada sonotrode katoodina või anoodina elektrolüütilises protsessis. 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 ülaosas avatud, et võimaldada elektrolüüdiga täitmist. Ventiilide avamine välistorude ülaosas võimaldab gaasil täitmise ajal välja pääseda. Elektrolüütilises rakus suletakse elektroodid kummirõngastega ja sukeldatakse tagurpidi hapestatud vee lahusesse. Positiivne anoodelektrood on valmistatud süsinikust (8mm). Negatiivne katood on titaanist ultraheli sonoelektrood (10 mm, spetsiaalne kõrge pindalaga sonotrode, Hielscher UP100H, 100 vatti, 30 kHz). Titaanist sonoelektrood ja süsinikelektrood on inertsed. Elektrolüüs toimub ainult siis, kui elekter juhitakse läbi lahjendatud väävelhappe lahuse. Seetõttu on süsinikanood ja titaankatood ühendatud konstantse pinge toiteallikaga (alalisvool).
Lahjendatud väävelhappe elektrolüüsil tekkiv vesinikgaas ja hapnikugaas kogutakse iga elektroodi kohal asuvatesse gradueeritud välimistesse torudesse. Gaasi maht nihutab elektrolüüdi välimistesse torudesse ja täiendava gaasi mahtu saab mõõta. Gaasi mahu teoreetiline suhe on 2:1. Elektrolüüsi ajal eemaldatakse elektrolüüdist vesinikgaasina ja hapnikugaasina ainult vesi. Seega tõuseb lahjendatud väävelhappe kontsentratsioon elektrolüüsi ajal veidi.
Alltoodud video näitab lahjendatud väävelhappe sonoelektrolüüsi, kasutades impulss-ultraheli (100% amplituud, tsüklirežiim, 0,2 sekundit sisse lülitatud, 0,8 sekundit välja lülitatud). Mõlemad katsed viidi läbi 2,1 V (alalisvool, konstantne pinge).
Sonoelektrolüüsi seadistamine 2 – Lihtne partii
Klaasanum täidetakse lahjendatud väävelhappe elektrolüüdiga (H2SO4, 1,0M). Selles lihtsas elektrolüütilises rakus sukeldatakse 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 elekter juhitakse läbi lahjendatud väävelhappe lahuse. Seetõttu on süsinikanood ja titaankatood ühendatud konstantse pinge toiteallikaga (alalisvool). Titaanelektrood ja süsinikelektrood on inertsed. Selles seadistuses ei koguta vesinikgaasi ja lahjendatud väävelhappe elektrolüüsil tekkivat hapnikugaasi. Allolev video näitab seda väga lihtsat seadistust.
Caution: Video "duration" is missing
Mis juhtub elektriepilatsiooni ajal?
Vesinikioonid on huvitatud negatiivsest katoodist. Seal redutseeritakse vesinikioon või veemolekulid elektronide juurdekasvu abil vesinikgaasi molekulideks. Selle tulemusena juhitakse vesinikgaasi molekulid vesinikgaasina. Paljude reaktiivsete metallisoolade või happelahuste elektrolüüs tekitab vesinikku negatiivse katoodelektroodi juures.
Negatiivsed sulfaatioonid või hüdroksiidioonide jäljed meelitavad positiivset anoodi. Sulfaatioon ise on liiga stabiilne, nii et midagi ei juhtu. Hüdroksiidioonid või veemolekulid tühjendatakse ja oksüdeeritakse anoodil hapniku moodustamiseks. See positiivne anoodireaktsioon on oksüdatsioonielektroodi reaktsioon elektronide kadumisega.
Miks me kasutame lahjendatud väävelhapet?
Vesi sisaldab ainult vesinikioonide ja hüdroksiidioonide kontsentratsioone minutis. See piirab elektrijuhtivust. Vesinikioonide ja sulfaatioonide kõrge kontsentratsioon lahjendatud väävelhappest parandab elektrolüüdi elektrijuhtivust. Teise võimalusena võite kasutada leeliselist elektrolüüdi lahust, näiteks kaaliumhüdroksiidi (KOH) või naatriumhüdroksiidi (NAOH) ja vett. Paljude soolade või väävelhappe lahuste elektrolüüs tekitab vesiniku negatiivsel katoodil ja hapniku positiivsel anoodil. Vesinikkloriidhappe või kloriidsoolade elektrolüüs tekitab anoodil kloori.
Mis on elektrolüüser?
Elektrolüüs on seade vee eraldamiseks vesinikuks ja hapnikuks protsessis, mida nimetatakse elektrolüüsiks. Elektrolüüser kasutab vesinikgaasi ja hapnikugaasi tootmiseks elektrit. Vesinikgaasi saab säilitada kokkusurutud või veeldatud gaasina. Vesinik on energiakandja, mida kasutatakse vesinikkütuseelemendis autodes, rongides, bussides või veoautodes.
Aluseline elektrolüüs sisaldab katoodi (negatiivne laeng) ja anoodi (positiivne laeng) ning perifeerseid komponente, nagu pumbad, tuulutusavad, mahutid, toiteallikas, eraldaja ja muud komponendid. Vee elektrolüüs on elektrokeemiline reaktsioon, mis toimub elektrolüüseris. Anoodi ja katoodi toidab alalisvool ja vesi (H20) jagatakse 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.