Sonoelektrolyyttisen vedyn tuotanto laimennetusta rikkihaposta
Laimennetun rikkihapon elektrolyysi tuottaa vetykaasua ja happikaasua. Ultrasonication vähentää difuusiokerroksen paksuutta elektrodin pinnalla ja parantaa massansiirtoa elektrolyysin aikana. Ultrasonication voi lisätä vetykaasun tuotantotapoja elektrolyyttisessa solussa merkittävästi.
Alla kuvataan kaksi kokeellista määritystä, joissa on hiilianodi ja titaanikatodi. Ultrasonicationin positiivisten vaikutusten osoittamiseksi elektrolyysiin titaanikatodi on sonoelectrodi. Tämä lisää ultraäänivärähtelyjä ja kavitaatiota vedyn ja hapen elektrolyyttiseen tuotantoon laimennetusta rikkihaposta. Ultraäänien ja sähkön yhdistelmää käytetään sonoelectrokemiassa, sonoelectrolyysissä ja sonoeectrosynteesissä.
Hielscher ultra ääni homogenizer UP100H (100 wattia, 30kHz) on varustettu sonoelectrokemiallinen päivitys. Tämä mahdollistaa sonotrodin käytön katodina tai anodina elektrolyyttisessa prosessissa. Jos haluat teolliset sonoelectrolytic-asetukset, napsauta tätä!
Sonosähköinen katodi UP100H ultraääniprosessorissa
Sonoelectrolysis-asennus 1 – H-tyyppinen jakamaton solu
Asennuksessa käytetään laimennettua rikkihappoa (H2SO4, 1,0M). H-tyyppinen jakamaton solu täytetään elektrolyytilla. Tätä solua kutsutaan Hofmann Voltameteriksi. Siinä on kolme liitettyä pystylasisylinteriä. Sisäsylinteri on auki yläosassa, jotta se voidaan täyttää elektrolyytillä. Ulkoputkien yläosassa olevan venttiilin avaaminen mahdollistaa kaasun karkaamisen täytön aikana. Elektrolyyttisessa solussa elektrodit sinetöidään kumirenkailla ja upotetaan ylösalaisin happaman veden liuokseen. Positiivinen anodielektrodi on valmistettu hiilestä (8mm). Negatiivinen katodi on titaani ultraääni sonoelectrode (10mm, erityinen korkean pinta-ala sonotrode, Hielscher UP100H, 100 wattia, 30kHz). Titaanisonolektrodi ja hiilielektrodi ovat inerttiä. Elektrolyysi tapahtuu vasta, kun sähkö kulkee laimennetun rikkihappoliuoksen läpi. Siksi hiilianodi ja titaanikatodi on kytketty vakiojännitteen virtalähteeseen (suoravirtaan).
Laimennetun rikkihapon elektrolyysissä tuotettu vetykaasu ja happikaasu kerätään kunkin elektrodin yläpuolella oleviin porrastetuissa ulkoputkissa. Kaasun tilavuus syrjäyttää elektrolyytin ulkoputkissa, ja lisäkaasun tilavuus voidaan mitata. Kaasun tilavuuden teoreettinen suhde on 2:1. Elektrolyysin aikana elektrolyytistä poistetaan vain vettä vetykaasuna ja happikaasuna. Näin ollen laimennetun rikkihapon pitoisuus nousee hieman elektrolyysin aikana.
Alla oleva video näyttää laimennetun rikkihapon sonoelectrolyysin pulssi ultrasonicationilla (100% amplitudi, syklitila, 0,2 sekuntia päällä, 0,8 sekuntia pois). Molemmat testit ajattiin 2,1 V:n (DC, vakiojännite) jännitteellä.
Sonoelectrolysis-asennus 2 – Yksinkertainen erä
Lasiastia täytetään laimennetun rikkihapon elektrolyytilla (H2SO4, 1,0M). Tässä yksinkertaisessa elektrolyyttisessa solussa elektrodit upotetaan happaman veden liuokseen. Positiivinen anodielektrodi on valmistettu hiilestä (8mm). Negatiivinen katodi on titaani ultraääni ultraääni sonoelectrode (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 wattia, 30kHz). Elektrolyysi tapahtuu vasta, kun sähkö kulkee laimennetun rikkihappoliuoksen läpi. Siksi hiilianodi ja titaanikatodi on kytketty vakiojännitteen virtalähteeseen (suoravirtaan). Titaanielektrodi ja hiilielektrodi ovat inerttiä. Tässä asetelmassa ei kerätä vetykaasua eikä laimennetun rikkihapon elektrolyysissä tuotettua happikaasua. Alla oleva video näyttää tämän erittäin yksinkertaisen käytössä olevien asetusten.
Mitä elektrolyysin aikana tapahtuu?
Vetyionit houkuttelevat negatiivista katodia. Siellä vetyioni tai vesimolekyylit pelkistyvät vetykaasumolekyyleihin elektroninnousun vuoksi. Tämän seurauksena vetykaasumolekyylit purkautuvat vetykaasuna. Monien reaktiivisten metallisuolojen tai happoliuosten elektrolyysi tuottaa vetyä negatiivisessa katodielektrodissa.
Positiiviseen anodiin houkuttelevat negatiiviset sulfaatti-ionit tai hydroksi-ionit. Itse sulfaatti-ioni on liian vakaa, joten mitään ei tapahdu. Hydroksidionit tai vesimolekyylit purkautuvat ja hapettuvat anodissa hapen muodostamiseksi. Tämä positiivinen anodireaktio on hapettumiselektrodireaktio, joka johtuu elektronihäviöstä.
Miksi käytämme laimennettua rikkihappoa?
Vesi sisältää vain vetyioneja ja hydroksidioneja. Tämä rajoittaa sähkönjohtavuutta. Laimennetun rikkihapon korkeat vetyioni- ja sulfaatti-ionipitoisuudet parantavat elektrolyytin sähkönjohtavuutta. Vaihtoehtoisesti voit käyttää emäksistä elektrolyyttiliuosta, kuten kaliumhydroksidia (KOH) tai natriumhydroksidia (NAOH) ja vettä. Monien suolojen tai rikkihappojen liuosten elektrolyysi tuottaa vetyä negatiivisessa katodissa ja happea positiivisessa anodissa. Suolahapon tai kloridisuolojen elektrolyysi tuottaa anodissa klooria.
Mikä on elektrolysaattori?
Elektrolysaattori on laite, joka erottaa veden vedystä ja hapesta prosessissa, jota kutsutaan elektrolyysiksi. Elektrolysaattori käyttää sähköä vetykaasun ja happikaasun tuottamiseen. Vetykaasu voidaan varastoida paineistettuna tai nesteytettynä kaasuna. Vety on energiankantaja, jota käytetään vetypolttokennona autoissa, junissa, linja-autoissa tai kuorma-autoissa.
Peruselektrolysaattori sisältää katodin (negatiivinen lataus) ja anodin (positiivinen lataus) ja oheiskomponentit, kuten pumput, tuuletusaukot, varastosäiliöt, virtalähteen, erottimen ja muut komponentit. Vesielektrolyysi on elektrokemiallinen reaktio, joka tapahtuu elektrolysaattorissa. Anodin ja katodin voimanlähteenä on suora virta ja vesi (H20) jaetaan sen komponenteiksi vety (H2) ja happi (O2).
Kirjallisuus / Referenssit
- 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.