Sonoelektrolyyttisen vedyn tuotanto laimeasta rikkihaposta
Laimennetun rikkihapon elektrolyysi tuottaa vetykaasua ja happikaasua. Ultrasonication vähentää diffuusiokerroksen paksuutta elektrodin pinnalla ja parantaa massansiirtoa elektrolyysin aikana. Ultrasonication voi lisätä vetykaasun tuotantonopeuksia elektrolyyttisolussa merkittävästi.
Seuraavassa kuvataan kaksi kokeellista kokoonpanoa, joissa on hiilianodi ja titaanikatodi. Ultrasonicationin positiivisten vaikutusten osoittamiseksi elektrolyysiin titaanikatodi on sonoelektrodi. Tämä lisää ultraäänivärähtelyjä ja kavitaatiota vedyn ja hapen elektrolyyttiseen tuotantoon laimeasta rikkihaposta. Ultraäänien ja sähkön yhdistelmää käytetään sonoelectrokemiassa, sonoelectrolyysissä ja sonoelectrosynteesissä.
Hielscherin ultraäänihomogenisaattori UP100H (100 wattia, 30 kHz) on varustettu sonoelektrokemiallisella päivityksellä. Tämä mahdollistaa sonotrodin käytön katodina tai anodina elektrolyyttisessä prosessissa. Teollisia sonoelektrolyyttisiä asetuksia varten napsauta tätä!
Sonoelektrolyysin asetukset 1 – H-tyypin jakamaton solu
Asennuksessa käytetään laimeaa rikkihappoa (H2SO4, 1,0M). H-tyypin jakamaton kenno täytetään elektrolyytillä. Tämä kenno tunnetaan nimellä Hofmann Voltameter. Siinä on kolme yhdistettyä pystysuoraa lasisylinteriä. Sisempi sylinteri on yläosassa auki, jotta se voidaan täyttää elektrolyytillä. Ulkoputkien yläosassa olevien venttiilien avaaminen mahdollistaa kaasun poistumisen täytön aikana. Elektrolyyttikennossa elektrodit suljetaan kumirenkailla ja upotetaan ylösalaisin happaman veden liuokseen. Positiivinen anodielektrodi on valmistettu hiilestä (8 mm). Negatiivinen katodi on titaaninen ultraäänisonoelektrodi (10mm, erityinen korkea pinta-ala sonotrode, Hielscher UP100H, 100 wattia, 30 kHz). Titaani-sonoelektrodi ja hiilielektrodi ovat inerttejä. Elektrolyysi tapahtuu vain, kun sähkö johdetaan laimean rikkihappoliuoksen läpi. Siksi hiilianodi ja titaanikatodi on kytketty vakiojännitevirtalähteeseen (tasavirta).
Vetykaasu ja laimennetun rikkihapon elektrolyysissä tuotettu happikaasu kerätään kunkin elektrodin yläpuolella oleviin asteikkoputkiin. 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. Siten laimennetun rikkihapon pitoisuus nousee hieman elektrolyysin aikana.
Alla oleva video näyttää laimennetun rikkihapon sonoelektrolyysin pulssiultraäänellä (100% amplitudi, syklitila, 0,2 sekuntia päällä, 0,8 sekuntia pois päältä). Molemmat testit suoritettiin 2,1 V: n jännitteellä (DC, vakiojännite).
Sonoelektrolyysin asetukset 2 – Yksinkertainen erä
Lasiastia täytetään laimennetun rikkihapon elektrolyytillä (H2SO4, 1,0M). Tässä yksinkertaisessa elektrolyyttikennossa elektrodit upotetaan happaman veden liuokseen. Positiivinen anodielektrodi on valmistettu hiilestä (8 mm). Negatiivinen katodi on titaaninen ultraäänisonoelektrodi (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 wattia, 30 kHz). Elektrolyysi tapahtuu vain, kun sähkö johdetaan laimean rikkihappoliuoksen läpi. Siksi hiilianodi ja titaanikatodi on kytketty vakiojännitevirtalähteeseen (tasavirta). Titaanielektrodi ja hiilielektrodi ovat inerttejä. Vetykaasua ja laimennetun rikkihapon elektrolyysissä tuotettua happikaasua ei kerätä tässä kokoonpanossa. Alla oleva video näyttää tämän hyvin yksinkertaisen asennuksen toiminnassa.
Mitä tapahtuu elektrolyysin aikana?
Vetyionit houkuttelevat negatiivista katodia. Siellä vetyioni- tai vesimolekyylit pelkistetään vetykaasumolekyyleiksi elektronivahvistuksella. Tämän seurauksena vetykaasumolekyylit purkautuvat vetykaasuna. Monien reaktiivisten metallisuolojen tai happoliuosten elektrolyysi tuottaa vetyä negatiivisessa katodielektrodissa.
Negatiiviset sulfaatti-ionit tai hydroksidi-ionien jäljet houkuttelevat positiivista anodia. Itse sulfaatti-ioni on liian vakaa, joten mitään ei tapahdu. Hydroksidi-ionit tai vesimolekyylit poistetaan ja hapetetaan anodissa hapen muodostamiseksi. Tämä positiivinen anodireaktio on hapetuselektrodireaktio elektronihäviöllä.
Miksi käytämme laimeaa rikkihappoa?
Vesi sisältää vain pieniä pitoisuuksia vetyioneja ja hydroksidi-ioneja. Tämä rajoittaa sähkönjohtavuutta. Vetyionien ja sulfaatti-ionien suuret pitoisuudet laimeasta rikkihaposta parantavat elektrolyytin sähkönjohtavuutta. Vaihtoehtoisesti voit käyttää emäksistä elektrolyyttiliuosta, kuten kaliumhydroksidia (KOH) tai natriumhydroksidia (NAOH) ja vettä. Monien suolojen tai rikkihapon liuosten elektrolyysi tuottaa vetyä negatiivisessa katodista ja happea positiivisessa anodissa. Suolahapon tai kloridisuolojen elektrolyysi tuottaa klooria anodissa.
Mikä on elektrolysaattori?
Elektrolysaattori on laite, joka erottaa veden vedyksi ja hapeksi prosessissa, joka tunnetaan nimellä elektrolyysi. Elektrolysaattori käyttää sähköä vetykaasun ja happikaasun tuottamiseen. Vetykaasu voidaan varastoida paineistettuna tai nesteytettynä kaasuna. Vety on energiankantaja, jota käytetään vetypolttokennoissa autoissa, junissa, linja-autoissa tai kuorma-autoissa.
Peruselektrolysaattori sisältää katodin (negatiivinen varaus) ja anodin (positiivinen varaus) ja oheiskomponentit, kuten pumput, tuuletusaukot, varastosäiliöt, virtalähde, erotin ja muut komponentit. Veden elektrolyysi on elektrokemiallinen reaktio, joka tapahtuu elektrolysaattorissa. Anodi ja katodi saavat virtansa tasavirrasta ja vesi (H20) jaetaan komponentteihinsa vety (H2) ja happi (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.