ייצור מימן סונואלקטרוליטי מחומצה גופרתית מדוללת
אלקטרוליזה של חומצה גופרתית מדוללת מייצרת גז מימן וגז חמצן. אולטרה-סוניקציה מפחיתה את עובי שכבת הדיפוזיה על פני השטח של האלקטרודה ומשפרת את העברת המסה במהלך אלקטרוליזה. אולטרה-סוניקציה יכולה להגדיל את קצב ייצור גז המימן בתא האלקטרוליטי, באופן משמעותי.
שני מערכי ניסוי עם אנודת פחמן וקתודה מטיטניום מתוארים להלן. כדי להדגים את ההשפעות החיוביות של ultrasonication על אלקטרוליזה, קתודה טיטניום הוא sonoelectrode. זה מוסיף תנודות קוליות cavitation לייצור אלקטרוליטי של מימן וחמצן מחומצה גופרתית מדוללת. השילוב של קולי עם חשמל משמש sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis ו sonoelectrosynthesis.
Hielscher קולי homogenizer UP100H (100 וואט, 30kHz) מצויד שדרוג sonoelectrochemical. זה מאפשר להשתמש בסונוטרוד כקתודה או אנודה בתהליך אלקטרוליטי. לתצורות סונואלקטרוליטיות תעשייתיות, אנא לחץ כאן!
קתודה סונואלקטרית על מעבד קולי UP100H
הגדרת סונואלקטרוליזה 1 – תא לא מחולק מסוג H
ההתקנה משתמשת בחומצה גופרתית מדוללת (H2SO4, 1.0M). תא בלתי מחולק מסוג H מלא באלקטרוליט. תא זה ידוע בשם וולטמטר הופמן. יש לו שלושה גלילי זכוכית זקופים מחוברים. הגליל 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 הפוכות בתמיסה של מים חומציים. אלקטרודת האנודה החיובית עשויה פחמן (8 מ"מ). הקתודה השלילית היא סונואלקטרודה קולית מטיטניום (10 מ"מ, סונוטרודה מיוחדת בשטח פנים גבוה, Hielscher UP100H, 100 וואט, 30kHz). סונואלקטרודת הטיטניום ואלקטרודת הפחמן אינרטיות. אלקטרוליזה תתרחש רק כאשר החשמל מועבר דרך תמיסת חומצה גופרתית מדוללת. לכן, אנודת הפחמן וקתודה מטיטניום מחוברים לספק כוח מתח קבוע (זרם ישיר).
גז המימן וגז החמצן המיוצר באלקטרוליזה של החומצה הגופרתית המדוללת נאספים בצינורות החיצוניים המדורגים מעל כל אלקטרודה. נפח הגז מחליף 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, ריכוז החומצה הגופרתית המדוללת עולה מעט במהלך האלקטרוליזה.
הסרטון שלהלן מציג את sonoelectrolysis של חומצה גופרתית מדוללת באמצעות ultrasonication פולסים (100% משרעת, מצב מחזור, 0.2 שניות על, 0.8 שניות כבוי). שתי הבדיקות בוצעו במתח של 2.1V (DC, מתח קבוע).
הגדרת סונואלקטרוליזה 2 – אצווה פשוטה
כלי זכוכית מלא אלקטרוליט של חומצה גופרתית מדוללת (H2SO4, 1.0M). בתא אלקטרוליטי פשוט זה, האלקטרודות שקועות בתמיסה של המים החומציים. אלקטרודת האנודה החיובית עשויה פחמן (8 מ"מ). הקתודה השלילית היא סונואלקטרודה קולית מטיטניום (10 מ"מ, MS10, Hielscher UP100H, 100 וואט, 30kHz). אלקטרוליזה תתרחש רק כאשר החשמל מועבר דרך תמיסת חומצה גופרתית מדוללת. לכן, אנודת הפחמן וקתודה מטיטניום מחוברים לספק כוח מתח קבוע (זרם ישיר). אלקטרודת הטיטניום ואלקטרודת הפחמן אינרטיות. גז המימן וגז החמצן המיוצר באלקטרוליזה של החומצה הגופרתית המדוללת אינם נאספים במערך זה. הסרטון 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 משתחררות כגז מימן. האלקטרוליזה של מלחי מתכת תגובתיים רבים או תמיסות חומצה מייצרת מימן באלקטרודה הקתודה השלילית.
יוני הגופרית השליליים או עקבות יוני ההידרוקסיד נמשכים לאנודה החיובית. יון הגופרית עצמו יציב מדי, כך ששום דבר לא קורה. יוני הידרוקסיד או מולקולות מים משתחררים ומתחמצנים באנודה ליצירת חמצן. תגובת אנודה חיובית זו היא תגובת אלקטרודת חמצון על ידי אובדן אלקטרונים.
מדוע אנו משתמשים בחומצה גופרתית מדוללת?
מים מכילים ריכוזים זעירים של יוני מימן ויוני הידרוקסיד בלבד. זה מגביל את המוליכות החשמלית. ריכוזים גבוהים של יוני מימן ויוני סולפט מהחומצה הגופרתית המדוללת משפרים את המוליכות החשמלית של האלקטרוליט. לחלופין, ניתן להשתמש בתמיסת אלקטרוליטים אלקליין כגון אשלגן הידרוקסידי (KOH) או נתרן הידרוקסידי (NAOH), ומים. האלקטרוליזה של תמיסות רבות של מלחים או חומצה גופרתית מייצרת מימן בקתודה השלילית וחמצן באנודה החיובית. האלקטרוליזה של חומצה הידרוכלורית או מלחי כלוריד מייצרת כלור באנודה.
מהו אלקטרולייזר?
אלקטרולייזר 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 נושא אנרגיה לשימוש בתא דלק מימני במכוניות, רכבות, אוטובוסים או משאיות.
אלקטרולייזר בסיסי מכיל קתודה (מטען שלילי) ואנודה (מטען חיובי) ורכיבים היקפיים, כגון משאבות, פתחי אוורור, מיכלי אחסון, ספק כוח, מפריד ורכיבים אחרים. אלקטרוליזה של מים היא תגובה אלקטרוכימית המתרחשת בתוך האלקטרולייזר. האנודה והקתודה מופעלות על ידי זרם ישר והמים (H20) מפוצלים למרכיביהם: מימן (H2) וחמצן (O2).
ספרות / מקורות
- 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.