પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડમાંથી સોનોઈલેક્ટ્રોલિટીક હાઈડ્રોજનનું ઉત્પાદન
પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડનું વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ હાઇડ્રોજન ગેસ અને ઓક્સિજન ગેસનું નિર્માણ કરે છે. અલ્ટ્રાસોનિકેશન ઇલેક્ટ્રોડ સપાટી પર પ્રસરણ સ્તરની જાડાઈ ઘટાડે છે અને વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન સામૂહિક સ્થાનાંતરણને સુધારે છે. અલ્ટ્રાસોનિકેશન ઇલેક્ટ્રોલિટીક સેલમાં હાઇડ્રોજન ગેસના ઉત્પાદન દરમાં નોંધપાત્ર વધારો કરી શકે છે.
કાર્બન એનોડ અને ટાઇટેનિયમ કેથોડ સાથેના બે પ્રાયોગિક સેટઅપ નીચે વર્ણવેલ છે. વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ પર અલ્ટ્રાસોનિકેશનની સકારાત્મક અસરો દર્શાવવા માટે, ટાઇટેનિયમ કેથોડ એ સોનોઈલેક્ટ્રોડ છે. આ પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડમાંથી હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજનના ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક ઉત્પાદનમાં અલ્ટ્રાસોનિક સ્પંદનો અને પોલાણ ઉમેરે છે. વીજળી સાથે અલ્ટ્રાસોનિકનું મિશ્રણ સોનોઈલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી, સોનોઈલેક્ટ્રોલીસીસ અને સોનોઈલેક્ટ્રોસિન્થેસિસમાં વપરાય છે.
Hielscher ultrasonic homogenizer UP100H (100 વોટ્સ, 30kHz) સોનોઈલેક્ટ્રોકેમિકલ અપગ્રેડથી સજ્જ છે. આ ઇલેક્ટ્રોલિટીક પ્રક્રિયામાં કેથોડ અથવા એનોડ તરીકે સોનોટ્રોડનો ઉપયોગ કરવાની મંજૂરી આપે છે. ઔદ્યોગિક સોનોઈલેક્ટ્રોલિટીક સેટઅપ માટે, કૃપા કરીને અહીં ક્લિક કરો!
UP100H અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર પર સોનોઇલેક્ટ્રિક કેથોડ
સોનોઈલેક્ટ્રોલિસિસ સેટઅપ 1 – એચ-પ્રકાર અવિભાજિત કોષ
સેટઅપ પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડ (H2SO4, 1.0M) વાપરે છે. એચ-પ્રકાર અવિભાજિત કોષ ઇલેક્ટ્રોલાઇટથી ભરેલો છે. આ કોષને હોફમેન વોલ્ટામીટર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તેમાં ત્રણ જોડાયેલા સીધા કાચના સિલિન્ડર છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથે ભરવાની મંજૂરી આપવા માટે આંતરિક સિલિન્ડર ટોચ પર ખુલ્લું છે. બાહ્ય નળીઓની ટોચ પર વાલ્વ ખોલવાથી ભરણ દરમિયાન કોઈપણ ગેસ બહાર નીકળી શકે છે. ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષમાં, ઇલેક્ટ્રોડને રબરના રિંગ્સ દ્વારા સીલ કરવામાં આવે છે અને એસિડિફાઇડ પાણીના દ્રાવણમાં ઊંધુંચત્તુ ડૂબી જાય છે. હકારાત્મક એનોડ ઇલેક્ટ્રોડ કાર્બન (8 મીમી) થી બનેલો છે. નેગેટિવ કેથોડ એ ટાઇટેનિયમ અલ્ટ્રાસોનિક સોનોઈલેક્ટ્રોડ (10mm, ખાસ ઉચ્ચ સપાટી વિસ્તાર સોનોટ્રોડ, Hielscher UP100H, 100 વોટ્સ, 30kHz) છે. ટાઇટેનિયમ સોનોઇલેક્ટ્રોડ અને કાર્બન ઇલેક્ટ્રોડ નિષ્ક્રિય છે. વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ ત્યારે જ થશે જ્યારે પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડના દ્રાવણમાંથી વીજળી પસાર થાય. તેથી, કાર્બન એનોડ અને ટાઇટેનિયમ કેથોડ સતત વોલ્ટેજ પાવર સપ્લાય (ડાયરેક્ટ કરંટ) સાથે જોડાયેલા છે.
પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણમાં ઉત્પન્ન થયેલ હાઇડ્રોજન ગેસ અને ઓક્સિજન વાયુ દરેક ઇલેક્ટ્રોડની ઉપરની બહારની નળીઓમાં એકત્ર થાય છે. ગેસનું પ્રમાણ બાહ્ય નળીઓમાં ઇલેક્ટ્રોલાઇટને વિસ્થાપિત કરે છે, અને વધારાના ગેસનું પ્રમાણ માપી શકાય છે. ગેસ વોલ્યુમનો સૈદ્ધાંતિક ગુણોત્તર 2:1 છે. વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન, હાઇડ્રોજન ગેસ અને ઓક્સિજન ગેસ તરીકે ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંથી માત્ર પાણી દૂર કરવામાં આવે છે. તેથી, વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન પાતળા સલ્ફ્યુરિક એસિડની સાંદ્રતા સહેજ વધે છે.
નીચેનો વિડિયો સ્પંદિત અલ્ટ્રાસોનિકેશન (100% કંપનવિસ્તાર, ચક્ર મોડ, 0.2 સેકન્ડ ચાલુ, 0.8 સેકન્ડ બંધ) નો ઉપયોગ કરીને પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડનું સોનોઈલેક્ટ્રોલિસિસ બતાવે છે. બંને પરીક્ષણો 2.1V (DC, સતત વોલ્ટેજ) પર ચલાવવામાં આવ્યા હતા.
સોનોઈલેક્ટ્રોલિસિસ સેટઅપ 2 – સરળ બેચ
કાચનું પાત્ર પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડ (H2SO4, 1.0M) ના ઇલેક્ટ્રોલાઇટથી ભરેલું છે. આ સરળ ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષમાં, ઇલેક્ટ્રોડ્સ એસિડિફાઇડ પાણીના દ્રાવણમાં ડૂબી જાય છે. હકારાત્મક એનોડ ઇલેક્ટ્રોડ કાર્બન (8 મીમી) થી બનેલો છે. નેગેટિવ કેથોડ એ ટાઇટેનિયમ અલ્ટ્રાસોનિક સોનોઈલેક્ટ્રોડ (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz) છે. વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ ત્યારે જ થશે જ્યારે પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડના દ્રાવણમાંથી વીજળી પસાર થાય. તેથી, કાર્બન એનોડ અને ટાઇટેનિયમ કેથોડ સતત વોલ્ટેજ પાવર સપ્લાય (ડાયરેક્ટ કરંટ) સાથે જોડાયેલા છે. ટાઇટેનિયમ ઇલેક્ટ્રોડ અને કાર્બન ઇલેક્ટ્રોડ નિષ્ક્રિય છે. પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણમાં ઉત્પાદિત હાઇડ્રોજન ગેસ અને ઓક્સિજન ગેસ આ સેટઅપમાં એકત્રિત કરવામાં આવતો નથી. નીચેનો વિડિયો આ ખૂબ જ સરળ સેટઅપ ઓપરેશનમાં બતાવે છે.
ઇલેક્ટ્રોલિસિસ દરમિયાન શું થાય છે?
હાઇડ્રોજન આયનો નકારાત્મક કેથોડ તરફ આકર્ષાય છે. ત્યાં, હાઇડ્રોજન આયન અથવા પાણીના અણુઓ ઇલેક્ટ્રોન ગેઇન દ્વારા હાઇડ્રોજન ગેસના પરમાણુઓમાં ઘટાડી દેવામાં આવે છે. પરિણામે હાઇડ્રોજન ગેસના પરમાણુઓ હાઇડ્રોજન ગેસ તરીકે વિસર્જિત થાય છે. ઘણા પ્રતિક્રિયાશીલ ધાતુના ક્ષાર અથવા એસિડ સોલ્યુશનનું વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ નકારાત્મક કેથોડ ઇલેક્ટ્રોડ પર હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરે છે.
નકારાત્મક સલ્ફેટ આયન અથવા હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનોના નિશાન હકારાત્મક એનોડ તરફ આકર્ષાય છે. સલ્ફેટ આયન પોતે ખૂબ સ્થિર છે, જેથી કશું થતું નથી. હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનો અથવા પાણીના અણુઓ ઓક્સિજન બનાવવા માટે એનોડ પર વિસર્જિત અને ઓક્સિડાઇઝ્ડ થાય છે. આ હકારાત્મક એનોડ પ્રતિક્રિયા એ ઇલેક્ટ્રોન નુકશાન દ્વારા ઓક્સિડેશન ઇલેક્ટ્રોડ પ્રતિક્રિયા છે.
શા માટે આપણે પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડનો ઉપયોગ કરીએ છીએ?
પાણીમાં માત્ર હાઇડ્રોજન આયન અને હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનોની મિનિટ સાંદ્રતા હોય છે. આ વિદ્યુત વાહકતાને મર્યાદિત કરે છે. પાતળું સલ્ફ્યુરિક એસિડમાંથી હાઇડ્રોજન આયન અને સલ્ફેટ આયનોની ઉચ્ચ સાંદ્રતા ઇલેક્ટ્રોલાઇટની વિદ્યુત વાહકતાને સુધારે છે. વૈકલ્પિક રીતે, તમે પોટેશિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (KOH) અથવા સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (NAOH), અને પાણી જેવા આલ્કલાઇન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સોલ્યુશનનો ઉપયોગ કરી શકો છો. ક્ષાર અથવા સલ્ફ્યુરિક એસિડના ઘણા ઉકેલોનું વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ નકારાત્મક કેથોડ પર હાઇડ્રોજન અને હકારાત્મક એનોડ પર ઓક્સિજન ઉત્પન્ન કરે છે. હાઇડ્રોક્લોરિક એસિડ અથવા ક્લોરાઇડ ક્ષારનું વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ એનોડ પર ક્લોરિન ઉત્પન્ન કરે છે.
ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર શું છે?
વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ તરીકે ઓળખાતી પ્રક્રિયામાં પાણીને હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજનમાં અલગ કરવા માટેનું એક ઉપકરણ છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર હાઇડ્રોજન ગેસ અને ઓક્સિજન ગેસ બનાવવા માટે વીજળીનો ઉપયોગ કરે છે. હાઇડ્રોજન ગેસ સંકુચિત અથવા લિક્વિફાઇડ ગેસ તરીકે સંગ્રહિત કરી શકાય છે. હાઇડ્રોજન એ કાર, ટ્રેન, બસ અથવા ટ્રકમાં હાઇડ્રોજન ફ્યુઅલ સેલમાં ઉપયોગ માટે ઊર્જા વાહક છે.
મૂળભૂત ઇલેક્ટ્રોલાઈઝરમાં કેથોડ (નકારાત્મક ચાર્જ) અને એનોડ (પોઝિટિવ ચાર્જ) અને પેરિફેરલ ઘટકો, જેમ કે પંપ, વેન્ટ્સ, સ્ટોરેજ ટાંકી, પાવર સપ્લાય, વિભાજક અને અન્ય ઘટકો હોય છે. પાણીનું વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ એ એક ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયા છે જે ઇલેક્ટ્રોલાઇઝરની અંદર થાય છે. એનોડ અને કેથોડ સીધા પ્રવાહ દ્વારા સંચાલિત થાય છે અને પાણી (H20) તેના ઘટકો હાઇડ્રોજન (H2) અને ઓક્સિજન (O2) માં વિભાજિત થાય છે.
સાહિત્ય / સંદર્ભો
- 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.