ייצור מימן סונואלקטרוליטי מחומצה גופרתית מדוללת
אלקטרוליזה של חומצה גופרתית מדוללת מייצרת גז מימן וגז חמצן. Ultrasonication מפחית את עובי שכבת הדיפוזיה על פני השטח אלקטרודה ומשפר את העברת המסה במהלך אלקטרוליזה. Ultrasonication יכול להגדיל את שיעורי ייצור גז מימן בתא האלקטרוליטי, באופן משמעותי.
שתי הגדרות ניסיוניות עם אנודה פחמן קתודה טיטניום מתוארים להלן. כדי להדגים את ההשפעות החיוביות של ultrasonication על האלקטרוליזה, קתודה טיטניום הוא sonoelectrode. זה מוסיף תנודות קוליות cavitation לייצור אלקטרוליטי של מימן וחמצן מחומצה גופרתית לדלל. השילוב של אולטרסוניקה עם חשמל משמש סונואלקטרוכימיה, sonoelectrolysis ו sonoelectrosynthesis.
Homogenizer אולטראסאונד Hielscher UP100H (100 וואט, 30kHz) מצויד בשדרוג sonoelectrochemical. זה מאפשר להשתמש sonotrode כמו קתודה או אנודה בתהליך אלקטרוליטי. לתצורות סונואלקטריות תעשייתיות, אנא לחצו כאן!
קתודה סונואלקטרית על מעבד קולי UP100H
התקנת סונואלקטריזיס 1 – תא לא מחולק מסוג H
ההתקנה משתמשת בחומצה גופרתית מדוללת (H2SO4, 1.0M). תא מחולק מסוג H מתמלא באלקטרוליט. תא זה ידוע כוולטאמטר הופמן. יש לו שלושה צילינדרים זכוכית זקוף הצטרף. הצילינדר הפנימי פתוח בחלקו העליון כדי לאפשר מילוי באלקטרוליט. פתיחת השסתומים בחלק העליון של הצינורות החיצוניים מאפשרת לכל גז לברוח במהלך המילוי. בתא האלקטרוליטי, האלקטרודות אטומות על ידי טבעות גומי ושקועות במהופך בתמיסה של מים חומציים. אלקטרודה אנודה חיובית עשוי פחמן (8mm). הקתודה השלילית היא סונואלקטרודה קולית טיטניום (10 מ"מ, סונוטרודה מיוחדת על פני השטח, Hielscher UP100H, 100 וואט, 30kHz). הסונואלקדרוד של טיטניום ואלקטרוד הפחמן אינם פעילים. אלקטרוליזה תתרחש רק כאשר החשמל מועבר דרך תמיסת חומצה גופרתית מדוללת. לכן, אנודה פחמן קתודה טיטניום מחוברים ספק כוח מתח קבוע (זרם ישיר).
גז המימן וגז החמצן המופק באלקטרוליזה של החומצה גופרתית מדוללת נאסף בצינורות החיצוניים מדורגים מעל כל אלקטרודה. נפח הגז מזיז את האלקטרוליט בצינורות החיצוניים, וניתן למדוד את נפח הגז הנוסף. היחס התיאורטי של נפח הגז הוא 2:1. במהלך האלקטרוליזה, רק מים מוסרים מהאלקטרוליט כגז מימן וגז חמצן. לפיכך, הריכוז של חומצה גופרתית לדלל עולה מעט במהלך האלקטרוליזה.
הווידאו שלהלן מציג את sonoelectrolysis של חומצה גופרתית מדוללת באמצעות ultrasonication פעמו (100% משרעת, מצב מחזור, 0.2 שניות על, 0.8 שניות). שתי הבדיקות נערכו ב 2.1V (DC, מתח קבוע).
התקנת סונואלקטרואליזה 2 – אצווה פשוטה
כלי זכוכית מלא באלקטרוליט של חומצה גופרתית מדוללת (H2SO4, 1.0M). בתא אלקטרוליטי פשוט זה, האלקטרודות שקועות בתמיסה של המים החומציים. אלקטרודה אנודה חיובית עשוי פחמן (8mm). הקתודה השלילית היא סונואלקטרודה קולית טיטניום (10 מ"מ, MS10, Hielscher UP100H, 100 וואט, 30kHz). אלקטרוליזה תתרחש רק כאשר החשמל מועבר דרך תמיסת חומצה גופרתית מדוללת. לכן, אנודה פחמן קתודה טיטניום מחוברים ספק כוח מתח קבוע (זרם ישיר). אלקטרודת הטיטניום ואלקטרודת הפחמן אינם פעילים. גז המימן וגז החמצן המיוצר באלקטרוליזה של חומצה גופרתית מדוללת אינו נאסף במערך זה. הווידאו שלהלן מציג התקנה פשוטה מאוד זו בפעולה.
מה קורה במהלך אלקטרוליזה?
יוני המימן נמשכים לקתודה השלילית. שם, יון המימן או מולקולות המים מצטמצמים למולקולות גז מימן על ידי רווח אלקטרונים. כתוצאה מכך מולקולות גז מימן משוחררות כגז מימן. האלקטרוליזה של מלחי מתכת תגובתיים רבים או פתרונות חומצה מייצרים מימן באלקטרודה הקתודית השלילית.
יוני הגופרית השליליים או העקבות של יונים הידרוקסידיים נמשכים לאנודה החיובית. יון הגופרית עצמו יציב מדי, כך ששום דבר לא קורה. יונים הידרוקסידיים או מולקולות מים משוחררים ומתחמצנים באנודה כדי ליצור חמצן. תגובת אנודה חיובית זו היא תגובת אלקטרודה חמצון על ידי אובדן אלקטרונים.
מדוע אנו משתמשים בחומצה גופרתית מדוללת?
מים מכילים ריכוזים זעירים של יוני מימן ויונים הידרוקסידיים, בלבד. זה מגביל מוליכות חשמלית. ריכוזים גבוהים של יוני מימן ויונים סולפטים מהחומצה הגופרתית המדוללת משפרים את המוליכות החשמלית של האלקטרוליט. לחלופין, ניתן להשתמש בתמיסת אלקטרוליט אלקליין כגון אשלגן הידרוקסידי (KOH) או נתרן הידרוקסידי (NAOH), ומים. האלקטרוליזה של פתרונות רבים של מלחים או חומצה גופרתית מייצרת מימן בקתודה שלילית וחמצן אנודה חיובית. האלקטרוליזה של חומצה הידרוכלורית או מלחי כלוריד מייצרת כלור באנודה.
מהו אלקטרוליזר?
אלקטרוליזר הוא מכשיר להפרדת מים למימן וחמצן בתהליך המכונה אלקטרוליזה. האלקטרולייזר משתמש בחשמל כדי לייצר גז מימן וגז חמצן. גז המימן יכול להיות מאוחסן כגז דחוס או נוזלי. מימן הוא נושאת אנרגיה לשימוש בתא דלק מימן במכוניות, רכבות, אוטובוסים או משאיות.
אלקטרוליזר בסיסי מכיל קתודה (מטען שלילי) אנודה (טעינה חיובית) ורכיבים היקפיים, כגון משאבות, פתחי אוורור, מיכלי אחסון, ספק כוח, מפריד ורכיבים אחרים. אלקטרוליזה של מים היא תגובה אלקטרוכימית המתרחשת בתוך האלקטרוליצר. האנודה והקטודה מופעלות על ידי זרם ישיר והמים (H20) מפוצלים למרכיביו מימן (H2) וחמצן (O2).
ספרות/הפניות
- 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.