הפקת מימן בסונואלקטרוליזה מחומצה גופרתית מהולה
אלקטרוליזה של חומצה גופרתית מהולה מפיקה גז מימן וגז חמצן. סוניקציה מפחיתה את עובי שכבת הדיפוזיה על פני האלקטרודה ומשפרת את מעבר המסה במהלך האלקטרוליזה. סוניקציה יכולה להגדיל במידה ניכרת את קצבי הפקת גז המימן בתא האלקטרוליטי.
להלן מתוארים שני מערכי ניסוי עם אנודת פחמן וקתודת טיטניום. כדי להדגים את ההשפעות החיוביות של סוניקציה על האלקטרוליזה, קתודת הטיטניום משמשת כסונואלקטרודה. כך מתווספות תנודות אולטרסוניות וקוויטציה להפקה האלקטרוליטית של מימן וחמצן מחומצה גופרתית מהולה. השילוב של אולטרסאונד וחשמל משמש בסונואלקטרוכימיה, בסונואלקטרוליזה ובסונואלקטרוסינתזה.
ההומוגנייזר האולטרסוני UP100H של Hielscher (100 וואט, 30kHz) מצויד בשדרוג סונואלקטרוכימי. שדרוג זה מאפשר להשתמש בסונוטרודה כקתודה או כאנודה בתהליך אלקטרוליטי. למערכי סונואלקטרוליזה תעשייתיים, לחצו כאן!
קתודה סונואלקטרית במעבד האולטרסוני UP100H
מערך סונואלקטרוליזה 1 – תא בלתי מחולק מסוג H
המערך משתמש בחומצה גופרתית מהולה (H2SO4, 1.0M). תא בלתי מחולק מסוג H ממולא באלקטרוליט. תא זה מוכר כוולטמטר הופמן. הוא כולל שלושה גלילי זכוכית אנכיים המחוברים זה לזה. הגליל הפנימי פתוח בחלקו העליון כדי לאפשר מילוי באלקטרוליט. פתיחת השסתומים בראש הצינורות החיצוניים מאפשרת לכל גז להיפלט במהלך המילוי. בתא האלקטרוליטי, האלקטרודות אטומות באמצעות טבעות גומי וטבולות במהופך בתמיסת המים שהוחמצו. אלקטרודת האנודה החיובית עשויה מפחמן (8mm). הקתודה השלילית היא סונואלקטרודה אולטרסונית מטיטניום (10mm, סונוטרודה מיוחדת בעלת שטח פנים גדול, Hielscher UP100H, 100 וואט, 30kHz). סונואלקטרודת הטיטניום ואלקטרודת הפחמן אינרטיות. אלקטרוליזה תתרחש רק כאשר יועבר זרם חשמלי דרך תמיסת החומצה הגופרתית המהולה. לכן, אנודת הפחמן וקתודת הטיטניום מחוברות לספק כוח במתח קבוע (זרם ישר).
גז המימן וגז החמצן הנוצרים באלקטרוליזה של החומצה הגופרתית המהולה נאספים בצינורות החיצוניים המדורגים שמעל כל אלקטרודה. נפח הגז דוחק את האלקטרוליט בצינורות החיצוניים, וניתן למדוד את נפח הגז הנוסף. היחס התאורטי בין נפחי הגזים הוא 2:1. במהלך האלקטרוליזה, רק מים נגרעים מהאלקטרוליט בצורת גז מימן וגז חמצן. לפיכך, ריכוז החומצה הגופרתית המהולה עולה מעט במהלך האלקטרוליזה.
הסרטון שלהלן מציג סונואלקטרוליזה של חומצה גופרתית מהולה באמצעות סוניקציה בפולסים (100% אמפליטודה, מצב מחזורי, 0.2 שניות הפעלה, 0.8 שניות הפסקה). שני הניסויים נערכו במתח של 2.1V (זרם ישר, מתח קבוע).
מערך סונואלקטרוליזה 2 – תהליך מנתי פשוט
כלי זכוכית ממולא באלקטרוליט של חומצה גופרתית מהולה (H2SO4, 1.0M). בתא אלקטרוליטי פשוט זה, האלקטרודות טבולות בתמיסת המים שהוחמצו. אלקטרודת האנודה החיובית עשויה מפחמן (8mm). הקתודה השלילית היא סונואלקטרודה אולטרסונית מטיטניום (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 וואט, 30kHz). אלקטרוליזה תתרחש רק כאשר יועבר זרם חשמלי דרך תמיסת החומצה הגופרתית המהולה. לכן, אנודת הפחמן וקתודת הטיטניום מחוברות לספק כוח במתח קבוע (זרם ישר). אלקטרודת הטיטניום ואלקטרודת הפחמן אינרטיות. גז המימן וגז החמצן הנוצרים באלקטרוליזה של החומצה הגופרתית המהולה אינם נאספים במערך זה. הסרטון שלהלן מציג את המערך הפשוט מאוד הזה בפעולה.
מה קורה במהלך אלקטרוליזה?
יוני המימן נמשכים לקתודה השלילית. שם, יון המימן או מולקולות המים עוברים חיזור למולקולות גז מימן באמצעות קליטת אלקטרונים. כתוצאה מכך, מולקולות גז המימן משתחררות כגז מימן. אלקטרוליזה של מלחים רבים של מתכות פעילות או של תמיסות חומצה מפיקה מימן באלקטרודת הקתודה השלילית.
יוני הסולפט השליליים או כמויות העקבות של יוני ההידרוקסיד נמשכים לאנודה החיובית. יון הסולפט עצמו יציב מדי, ולכן לא מתרחש דבר. יוני הידרוקסיד או מולקולות מים נפרקים ומתחמצנים באנודה ליצירת חמצן. תגובה זו באנודה החיובית היא תגובת חמצון באלקטרודה המתרחשת באמצעות איבוד אלקטרונים.
מדוע אנו משתמשים בחומצה גופרתית מהולה?
מים מכילים יוני מימן ויוני הידרוקסיד בריכוזים זעירים בלבד. הדבר מגביל את המוליכות החשמלית. ריכוזים גבוהים של יוני מימן ויוני סולפט שמקורם בחומצה הגופרתית המהולה משפרים את המוליכות החשמלית של האלקטרוליט. לחלופין, ניתן להשתמש בתמיסת אלקטרוליט בסיסית כגון אשלגן הידרוקסידי (KOH) או נתרן הידרוקסידי (NAOH), ובמים. אלקטרוליזה של תמיסות רבות של מלחים או של חומצה גופרתית מפיקה מימן בקתודה השלילית וחמצן באנודה החיובית. אלקטרוליזה של חומצה הידרוכלורית או של מלחי כלוריד מפיקה כלור באנודה.
מהו אלקטרולייזר?
אלקטרולייזר הוא מכשיר לפירוק מים למימן ולחמצן בתהליך המכונה אלקטרוליזה. האלקטרולייזר משתמש בחשמל כדי להפיק גז מימן וגז חמצן. ניתן לאחסן את גז המימן כגז דחוס או מעובה. מימן הוא נשא אנרגיה לשימוש בתא דלק מימני במכוניות, ברכבות, באוטובוסים או במשאיות.
אלקטרולייזר בסיסי כולל קתודה (מטען שלילי) ואנודה (מטען חיובי) ורכיבים היקפיים, כגון משאבות, פתחי אוורור, מכלי אחסון, ספק כוח, מפריד ורכיבים נוספים. אלקטרוליזה של מים היא תגובה אלקטרוכימית המתרחשת בתוך האלקטרולייזר. האנודה והקתודה מוזנות בזרם ישר והמים (H20) מתפרקים 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.