تولید هیدروژن سونوالکترولیتی از اسید سولفوریک رقیق
الکترولیز اسید سولفوریک رقیق گاز هیدروژن و گاز اکسیژن تولید می کند. امواج فراصوت ضخامت لایه انتشار را در سطح الکترود کاهش می دهد و انتقال جرم در طول الکترولیز را بهبود می بخشد. امواج فراصوت می تواند میزان تولید گاز هیدروژن در سلول الکترولیتی را به طور قابل توجهی افزایش دهد.
دو مجموعه آزمایشی با یک آند کربنی و یک کاتد تیتانیوم در زیر شرح داده شده است. برای نشان دادن اثرات مثبت امواج فراصوت بر الکترولیز، کاتد تیتانیوم یک سونوالکترود است. این می افزاید: ارتعاشات اولتراسونیک و حفره به تولید الکترولیتی هیدروژن و اکسیژن از اسید سولفوریک رقیق. ترکیبی از اولتراسونیک با الکتریسیته در سونوالکتروشیمی، سونوالکترولیز و سونوالکتروسنتز استفاده می شود.
هموژنایزر اولتراسونیک Hielscher UP100H (100 وات، 30kHz) با ارتقاء سونوالکتروشیمیایی مجهز. این اجازه می دهد تا از سونوترود به عنوان کاتد یا آند در یک فرآیند الکترولیتی استفاده کنید. برای راه اندازی سونوالکترولیتی صنعتی، لطفا اینجا را کلیک کنید!
کاتد سونوالکتریک در پردازنده اولتراسونیک UP100H
راه اندازی سونوالکترولیز - بخش 1 – سلول تقسیم نشده نوع H
در این راه اندازی از اسید سولفوریک رقیق (H2SO4، 1.0M) استفاده می شود. یک سلول تقسیم نشده از نوع H با الکترولیت پر می شود. این سلول به عنوان ولتامتر هافمن شناخته می شود. دارای سه سیلندر شیشه ای عمودی متصل شده است. سیلندر داخلی در بالا باز است تا امکان پر شدن با الکترولیت فراهم شود. باز کردن دریچه ها در بالای لوله های بیرونی اجازه می دهد تا هر گازی در حین پر کردن خارج شود. در سلول الکترولیتی ، الکترودها توسط حلقه های لاستیکی مهر و موم شده و وارونه در محلول آب اسیدی غوطه ور می شوند. الکترود آند مثبت از کربن (8 میلی متر) ساخته شده است. کاتد منفی یک سونوالکترود اولتراسونیک تیتانیوم است (10 میلی متر، سونوترود سطح بالا خاص، Hielscher UP100H، 100 وات، 30 کیلوهرتز). سونوالکترود تیتانیوم و الکترود کربن بی اثر هستند. الکترولیز تنها زمانی انجام می شود که الکتریسیته از محلول اسید سولفوریک رقیق عبور کند. بنابراین ، آند کربن و یک کاتد تیتانیوم به یک منبع تغذیه ولتاژ ثابت (جریان مستقیم) متصل می شوند.
گاز هیدروژن و گاز اکسیژن تولید شده در الکترولیز اسید سولفوریک رقیق در لوله های بیرونی فارغ التحصیل بالای هر الکترود جمع آوری می شود. حجم گاز الکترولیت را در لوله های بیرونی جابجا می کند و حجم گاز اضافی را می توان اندازه گیری کرد. نسبت نظری حجم گاز 2:1 است. در طول الکترولیز، فقط آب به عنوان گاز هیدروژن و گاز اکسیژن از الکترولیت خارج می شود. از این رو، غلظت اسید سولفوریک رقیق در طول الکترولیز کمی افزایش می یابد.
ویدئو زیر نشان می دهد سونوالکترولیز اسید سولفوریک رقیق با استفاده از اولتراسونیک پالسی (100٪ دامنه، حالت چرخه، 0.2 ثانیه روشن، 0.8 ثانیه خاموش). هر دو آزمایش در 2.1 ولت (DC، ولتاژ ثابت) انجام شدند.
راه اندازی سونوالکترولیز - بخش 2 – دسته ساده
یک ظرف شیشه ای با الکترولیت اسید سولفوریک رقیق (H2SO4، 1.0M) پر می شود. در این سلول الکترولیتی ساده ، الکترودها در محلول آب اسیدی غوطه ور می شوند. الکترود آند مثبت از کربن (8 میلی متر) ساخته شده است. کاتد منفی یک سونوالکترود اولتراسونیک تیتانیوم (10 میلی متر، MS10، Hielscher UP100H، 100 وات، 30 کیلوهرتز) است. الکترولیز تنها زمانی انجام می شود که الکتریسیته از محلول اسید سولفوریک رقیق عبور کند. بنابراین ، آند کربن و یک کاتد تیتانیوم به یک منبع تغذیه ولتاژ ثابت (جریان مستقیم) متصل می شوند. الکترود تیتانیوم و الکترود کربن بی اثر هستند. گاز هیدروژن و گاز اکسیژن تولید شده در الکترولیز اسید سولفوریک رقیق در این تنظیم جمع آوری نمی شود. ویدیوی زیر این راه اندازی بسیار ساده را در حال کار نشان می دهد.
Caution: Video "duration" is missing
در حین الکترولیز چه اتفاقی می افتد؟
یون های هیدروژن به کاتد منفی جذب می شوند. در آنجا، یون هیدروژن یا مولکول های آب با افزایش الکترون به مولکول های گاز هیدروژن تبدیل می شوند. در نتیجه مولکول های گاز هیدروژن به عنوان گاز هیدروژن تخلیه می شوند. الکترولیز بسیاری از نمک های فلزی واکنش پذیر یا محلول های اسیدی هیدروژن را در الکترود کاتد منفی تولید می کند.
یون های سولفات منفی یا آثار یون های هیدروکسید به آند مثبت جذب می شوند. یون سولفات خود بیش از حد پایدار است ، به طوری که هیچ اتفاقی نمی افتد. یون های هیدروکسید یا مولکول های آب در آند تخلیه و اکسید می شوند و اکسیژن تشکیل می دهند. این واکنش آند مثبت یک واکنش الکترود اکسیداسیون با اتلاف الکترون است.
چرا از اسید سولفوریک رقیق استفاده می کنیم؟
آب فقط حاوی غلظت های کمی از یون های هیدروژن و یون های هیدروکسید است. این هدایت الکتریکی را محدود می کند. غلظت بالای یون های هیدروژن و یون های سولفات از اسید سولفوریک رقیق رسانایی الکتریکی الکترولیت را بهبود می بخشد. از طرف دیگر، می توانید از محلول الکترولیت قلیایی مانند هیدروکسید پتاسیم (KOH) یا هیدروکسید سدیم (NAOH) و آب استفاده کنید. الکترولیز بسیاری از محلول های نمک یا اسید سولفوریک هیدروژن در کاتد منفی و اکسیژن در آند مثبت تولید می کند. الکترولیز اسید کلریدریک یا نمک های کلرید کلر را در آند تولید می کند.
الکترولیزر چیست؟
الکترولیز وسیله ای برای جداسازی آب به هیدروژن و اکسیژن در فرآیندی است که به عنوان الکترولیز شناخته می شود. الکترولیزر از برق برای تولید گاز هیدروژن و گاز اکسیژن استفاده می کند. گاز هیدروژن را می توان به صورت گاز فشرده یا مایع ذخیره کرد. هیدروژن یک حامل انرژی برای استفاده در پیل سوختی هیدروژن در اتومبیل ها، قطارها، اتوبوس ها یا کامیون ها است.
یک الکترولیزر پایه شامل یک کاتد (بار منفی) و یک آند (بار مثبت) و اجزای جانبی مانند پمپ ها، دریچه ها، مخازن ذخیره سازی، منبع تغذیه، جداکننده و سایر اجزا است. الکترولیز آب یک واکنش الکتروشیمیایی است که در داخل الکترولیزر رخ می دهد. آند و کاتد با جریان مستقیم تغذیه می شوند و آب (H20) به اجزای آن هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2) تقسیم می شود.
ادبیات? منابع
- 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.