Vedyn tuotanto laimeasta rikkihaposta sonoelektrolyysillä
Laimean rikkihapon elektrolyysi tuottaa vetykaasua ja happikaasua. Ultraäänikäsittely ohentaa elektrodin pinnalla olevaa diffuusiokerrosta ja parantaa aineensiirtoa elektrolyysin aikana. Ultraäänikäsittely voi lisätä merkittävästi vetykaasun tuotantonopeutta elektrolyysikennossa.
Alla kuvataan kaksi koejärjestelyä, joissa käytetään hiilianodia ja titaanikatodia. Ultraäänikäsittelyn myönteisten vaikutusten osoittamiseksi elektrolyysissä titaanikatodina käytetään sonoelektrodia. Tämä tuo ultraäänivärähtelyä ja kavitaatiota vedyn ja hapen elektrolyyttiseen tuotantoon laimeasta rikkihaposta. Ultraäänen ja sähkön yhdistelmää käytetään sonoelektrokemiassa, sonoelektrolyysissä ja sonoelektrosynteesissä.
Hielscher UP100H -ultraäänihomogenisaattori (100 wattia, 30kHz) on varustettu sonoelektrokemiallisella lisävarustuksella. Sen ansiosta sonotrodia voidaan käyttää katodina tai anodina elektrolyyttisessä prosessissa. Tutustu teollisiin sonoelektrolyysijärjestelmiin napsauttamalla tästä!
Sonoelektrinen katodi UP100H -ultraääniprosessorissa
Sonoelektrolyysin koejärjestely 1 – Jakamaton H-tyypin kenno
Koejärjestelyssä käytetään laimeaa rikkihappoa (H2SO4, 1,0M). Jakamaton H-tyypin kenno täytetään elektrolyytillä. Tämä kenno tunnetaan Hofmannin voltametrinä. Siinä on kolme toisiinsa liitettyä pystysuoraa lasisylinteriä. Keskimmäinen sylinteri on ylhäältä avoin, jotta se voidaan täyttää elektrolyytillä. Ulompien putkien yläosassa olevien venttiilien avaaminen päästää mahdollisen kaasun poistumaan täytön aikana. Elektrolyysikennossa elektrodit tiivistetään kumirenkailla ja upotetaan ylösalaisin happamaksi tehtyyn vesiliuokseen. Positiivinen anodielektrodi on valmistettu hiilestä (8mm). Negatiivinen katodi on titaaninen ultraäänisonoelektrodi (10mm, erityinen suuren pinta-alan sonotrodi, Hielscher UP100H, 100 wattia, 30kHz). Titaaninen sonoelektrodi ja hiilielektrodi ovat inerttejä. Elektrolyysi tapahtuu vain, kun sähkövirta kulkee laimean rikkihappoliuoksen läpi. Siksi hiilianodi ja titaanikatodi liitetään vakiojännitteiseen virtalähteeseen (tasavirta).
Laimean rikkihapon elektrolyysissä syntyvä vetykaasu ja happikaasu kerätään kummankin elektrodin yläpuolella oleviin asteikollisiin ulkoputkiin. Kaasu syrjäyttää elektrolyytin ulkoputkissa, ja muodostuvan lisäkaasun tilavuus voidaan mitata. Kaasutilavuuksien teoreettinen suhde on 2:1. Elektrolyysin aikana elektrolyytistä poistuu vain vettä vetykaasuna ja happikaasuna. Siksi laimean rikkihapon pitoisuus kasvaa hieman elektrolyysin aikana.
Alla olevassa videossa näytetään laimean rikkihapon sonoelektrolyysi pulssitettua ultraäänikäsittelyä käyttäen (100%:n amplitudi, jaksotila, 0,2 sekuntia päällä, 0,8 sekuntia pois päältä). Molemmat kokeet tehtiin 2,1V:n jännitteellä (tasavirta, vakiojännite).
Sonoelektrolyysin koejärjestely 2 – Yksinkertainen panosprosessi
Lasiastia täytetään laimeasta rikkihaposta koostuvalla elektrolyytillä (H2SO4, 1,0M). Tässä yksinkertaisessa elektrolyysikennossa elektrodit upotetaan happamaksi tehtyyn vesiliuokseen. Positiivinen anodielektrodi on valmistettu hiilestä (8mm). Negatiivinen katodi on titaaninen ultraäänisonoelektrodi (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 wattia, 30kHz). Elektrolyysi tapahtuu vain, kun sähkövirta kulkee laimean rikkihappoliuoksen läpi. Siksi hiilianodi ja titaanikatodi liitetään vakiojännitteiseen virtalähteeseen (tasavirta). Titaanielektrodi ja hiilielektrodi ovat inerttejä. Laimean rikkihapon elektrolyysissä syntyvää vetykaasua ja happikaasua ei kerätä tässä koejärjestelyssä. Alla olevassa videossa näytetään tämä hyvin yksinkertainen koejärjestely toiminnassa.
Mitä elektrolyysin aikana tapahtuu?
Vetyionit vetäytyvät kohti negatiivista katodia. Siellä vetyioni tai vesimolekyylit pelkistyvät vetykaasumolekyyleiksi vastaanottamalla elektroneja. Tämän seurauksena vetykaasumolekyylit vapautuvat vetykaasuna. Monien reaktiivisten metallien suolojen tai happoliuosten elektrolyysi tuottaa vetyä negatiivisella katodielektrodilla.
Negatiiviset sulfaatti-ionit tai pieninä määrinä esiintyvät hydroksidi-ionit vetäytyvät kohti positiivista anodia. Sulfaatti-ioni itsessään on liian stabiili, joten sille ei tapahdu mitään. Hydroksidi-ionit tai vesimolekyylit purkautuvat ja hapettuvat anodilla muodostaen happea. Tämä positiivisella anodilla tapahtuva reaktio on elektrodireaktio, jossa hapettuminen tapahtuu elektronien luovuttamisen kautta.
Miksi käytämme laimeaa rikkihappoa?
Vedessä on vain erittäin pieniä pitoisuuksia vetyioneja ja hydroksidi-ioneja. Tämä rajoittaa sähkönjohtavuutta. Laimeasta rikkihaposta peräisin olevien vetyionien ja sulfaatti-ionien suuret pitoisuudet parantavat elektrolyytin sähkönjohtavuutta. Vaihtoehtoisesti voit käyttää emäksistä elektrolyyttiliuosta, kuten kaliumhydroksidia (KOH) tai natriumhydroksidia (NAOH), sekä vettä. Monien suolaliuosten tai rikkihapon elektrolyysi tuottaa vetyä negatiivisella katodilla ja happea positiivisella anodilla. Suolahapon tai kloridisuolojen elektrolyysi tuottaa klooria anodilla.
Mikä on elektrolyysilaite?
Elektrolyysilaite on laite, joka hajottaa veden vedyksi ja hapeksi elektrolyysiksi kutsutussa prosessissa. Elektrolyysilaite käyttää sähköä vetykaasun ja happikaasun tuottamiseen. Vetykaasu voidaan varastoida paineistettuna tai nesteytettynä kaasuna. Vety on energiankantaja, jota voidaan käyttää autojen, junien, linja-autojen tai kuorma-autojen vetypolttokennoissa.
Peruselektrolyysilaite sisältää katodin (negatiivinen varaus) ja anodin (positiivinen varaus) sekä oheiskomponentteja, kuten pumppuja, kaasunpoistoaukkoja, varastosäiliöitä, virtalähteen, erottimen ja muita komponentteja. Veden elektrolyysi on sähkökemiallinen reaktio, joka tapahtuu elektrolyysilaitteen sisällä. Anodiin ja katodiin syötetään tasavirtaa, ja vesi (H20) hajotetaan sen rakenneosiin vetyyn (H2) ja happeen (O2).
Kirjallisuus / Viitteet
- 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.