મંદ સલ્ફ્યુરિક એસિડમાંથી સોનોવિદ્યુતવિભાજન દ્વારા હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન

સોનોવિદ્યુતવિભાજન ગોઠવણ 2 – સરળ બેચ

કાચના એક પાત્રમાં મંદ સલ્ફ્યુરિક એસિડનું વિદ્યુતવિભાજ્ય (H2SO4, 1.0M) ભરવામાં આવે છે. આ સરળ વિદ્યુતવિભાજન કોષમાં ઇલેક્ટ્રોડને અમ્લીય બનાવેલા પાણીના દ્રાવણમાં ડુબાડવામાં આવે છે. ધન એનોડ ઇલેક્ટ્રોડ કાર્બનનો (8mm) બનેલો છે. ઋણ કેથોડ ટાઇટેનિયમનો અલ્ટ્રાસોનિક સોનોઇલેક્ટ્રોડ (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz) છે. મંદ સલ્ફ્યુરિક એસિડના દ્રાવણમાંથી વિદ્યુત પસાર કરવામાં આવે ત્યારે જ વિદ્યુતવિભાજન થાય છે. તેથી કાર્બન એનોડ અને ટાઇટેનિયમ કેથોડને અચળ વોલ્ટેજવાળા વીજ પુરવઠા (દિષ્ટ પ્રવાહ) સાથે જોડવામાં આવે છે. ટાઇટેનિયમ ઇલેક્ટ્રોડ અને કાર્બન ઇલેક્ટ્રોડ નિષ્ક્રિય છે. મંદ સલ્ફ્યુરિક એસિડના વિદ્યુતવિભાજનથી ઉત્પન્ન થતા હાઇડ્રોજન વાયુ અને ઑક્સિજન વાયુને આ ગોઠવણમાં એકત્રિત કરવામાં આવતા નથી. નીચેનો વિડિયો આ અત્યંત સરળ ગોઠવણને કાર્યરત અવસ્થામાં દર્શાવે છે.

વિદ્યુતવિભાજન દરમિયાન શું થાય છે?

હાઇડ્રોજન આયનો ઋણ કેથોડ તરફ આકર્ષાય છે. ત્યાં હાઇડ્રોજન આયન અથવા પાણીના અણુઓ ઇલેક્ટ્રોન મેળવીને અપચય પામે છે અને હાઇડ્રોજન વાયુના અણુઓમાં રૂપાંતરિત થાય છે. પરિણામે હાઇડ્રોજન વાયુના અણુઓ હાઇડ્રોજન વાયુ તરીકે મુક્ત થાય છે. ઘણી પ્રતિક્રિયાશીલ ધાતુઓનાં ક્ષારો અથવા એસિડનાં દ્રાવણોના વિદ્યુતવિભાજનથી ઋણ કેથોડ ઇલેક્ટ્રોડ પર હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન થાય છે.
ઋણ સલ્ફેટ આયનો અથવા અતિઅલ્પ માત્રામાં રહેલા હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનો ધન એનોડ તરફ આકર્ષાય છે. સલ્ફેટ આયન પોતે એટલો સ્થિર હોય છે કે કોઈ પ્રક્રિયા થતી નથી. હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનો અથવા પાણીના અણુઓ એનોડ પર વિસર્જિત થાય છે અને ઑક્સિડેશન પામીને ઑક્સિજન બનાવે છે. ધન એનોડ પર થતી આ પ્રતિક્રિયા ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવવાથી થતી ઑક્સિડેશન ઇલેક્ટ્રોડ પ્રતિક્રિયા છે.

આપણે મંદ સલ્ફ્યુરિક એસિડનો ઉપયોગ શા માટે કરીએ છીએ?

પાણીમાં હાઇડ્રોજન આયનો અને હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનો માત્ર અતિઅલ્પ સાંદ્રતામાં હોય છે. આના કારણે વિદ્યુત વાહકતા મર્યાદિત રહે છે. મંદ સલ્ફ્યુરિક એસિડમાંથી મળતા હાઇડ્રોજન આયનો અને સલ્ફેટ આયનોની ઊંચી સાંદ્રતા વિદ્યુતવિભાજ્યની વિદ્યુત વાહકતા સુધારે છે. વૈકલ્પિક રીતે, તમે પોટેશિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (KOH) અથવા સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (NAOH) જેવા આલ્કલાઇન વિદ્યુતવિભાજ્ય દ્રાવણ અને પાણીનો ઉપયોગ કરી શકો છો. ક્ષારોનાં ઘણાં દ્રાવણો અથવા સલ્ફ્યુરિક એસિડના વિદ્યુતવિભાજનથી ઋણ કેથોડ પર હાઇડ્રોજન અને ધન એનોડ પર ઑક્સિજન ઉત્પન્ન થાય છે. હાઇડ્રોક્લોરિક એસિડ અથવા ક્લોરાઇડ ક્ષારોના વિદ્યુતવિભાજનથી એનોડ પર ક્લોરિન ઉત્પન્ન થાય છે.

ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર શું છે?

ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર એ વિદ્યુતવિભાજન તરીકે ઓળખાતી પ્રક્રિયામાં પાણીને હાઇડ્રોજન અને ઑક્સિજનમાં અલગ કરતું ઉપકરણ છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર હાઇડ્રોજન વાયુ અને ઑક્સિજન વાયુ ઉત્પન્ન કરવા માટે વિદ્યુતનો ઉપયોગ કરે છે. હાઇડ્રોજન વાયુને સંકુચિત અથવા પ્રવાહીકૃત વાયુ તરીકે સંગ્રહિત કરી શકાય છે. હાઇડ્રોજન એ કાર, ટ્રેન, બસ અથવા ટ્રકમાં હાઇડ્રોજન ઇંધણ કોષમાં વાપરવા માટેનું ઊર્જાવાહક છે.
મૂળભૂત ઇલેક્ટ્રોલાઇઝરમાં કેથોડ (ઋણ વિદ્યુતભાર) અને એનોડ (ધન વિદ્યુતભાર) તથા પંપ, વાયુનિકાસનાં મુખ, સંગ્રહ ટાંકીઓ, વીજ પુરવઠો, વિભાજક અને અન્ય ઘટકો જેવા સહાયક ઘટકો હોય છે. પાણીનું વિદ્યુતવિભાજન એ ઇલેક્ટ્રોલાઇઝરની અંદર થતી વિદ્યુતરાસાયણિક પ્રતિક્રિયા છે. એનોડ અને કેથોડને દિષ્ટ પ્રવાહથી વીજ પુરવઠો આપવામાં આવે છે અને પાણી (H20) તેના ઘટકો હાઇડ્રોજન (H2) અને ઑક્સિજન (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.