तनु सल्फ्यूरिक अम्ल से सोनोइलेक्ट्रोलाइटिक हाइड्रोजन उत्पादन
तनु सल्फ्यूरिक अम्ल के विद्युत अपघटन से हाइड्रोजन गैस और ऑक्सीजन गैस उत्पन्न होती हैं। अल्ट्रासोनिकेशन इलेक्ट्रोड की सतह पर विसरण परत की मोटाई कम करता है और विद्युत अपघटन के दौरान द्रव्यमान स्थानांतरण में सुधार करता है। अल्ट्रासोनिकेशन विद्युत अपघटनी सेल में हाइड्रोजन गैस के उत्पादन की दरों को काफी बढ़ा सकता है।
कार्बन एनोड और टाइटेनियम कैथोड वाले दो प्रायोगिक सेटअप नीचे वर्णित हैं। विद्युत अपघटन पर अल्ट्रासोनिकेशन के सकारात्मक प्रभावों को प्रदर्शित करने के लिए, टाइटेनियम कैथोड एक सोनोइलेक्ट्रोड है। इससे तनु सल्फ्यूरिक अम्ल से हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के विद्युत अपघटनी उत्पादन में अल्ट्रासोनिक कंपन और कैविटेशन जुड़ते हैं। अल्ट्रासोनिक्स और विद्युत के संयोजन का उपयोग सोनोइलेक्ट्रोकेमिस्ट्री, सोनोइलेक्ट्रोलिसिस और सोनोइलेक्ट्रोसिंथेसिस में किया जाता है।
Hielscher अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र UP100H (100 वाट, 30kHz) सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल उन्नयन से सुसज्जित है। इससे विद्युत अपघटनी प्रक्रिया में सोनोट्रोड को कैथोड या एनोड के रूप में उपयोग किया जा सकता है। औद्योगिक सोनोइलेक्ट्रोलाइटिक सेटअप के लिए, कृपया यहाँ क्लिक करें!
UP100H अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर पर सोनोइलेक्ट्रिक कैथोड
सोनोइलेक्ट्रोलिसिस सेटअप 1 – H-प्रकार का अविभाजित सेल
इस सेटअप में तनु सल्फ्यूरिक अम्ल (H2SO4, 1.0M) का उपयोग होता है। एक H-प्रकार के अविभाजित सेल में इलेक्ट्रोलाइट भरा जाता है। इस सेल को हॉफमैन वोल्टामीटर के नाम से जाना जाता है। इसमें आपस में जुड़े हुए काँच के तीन ऊर्ध्वाधर सिलिंडर होते हैं। इलेक्ट्रोलाइट भरने के लिए भीतरी सिलिंडर ऊपर से खुला होता है। बाहरी नलियों के ऊपरी भाग में लगे वाल्व खोलने से भरते समय कोई भी गैस बाहर निकल सकती है। विद्युत अपघटनी सेल में, इलेक्ट्रोडों को रबर के छल्लों से सील किया जाता है और अम्लीकृत जल के विलयन में उल्टा डुबोया जाता है। धनात्मक एनोड इलेक्ट्रोड कार्बन (8mm) से बना होता है। ऋणात्मक कैथोड एक टाइटेनियम अल्ट्रासोनिक सोनोइलेक्ट्रोड (10mm, उच्च सतह क्षेत्र वाला विशेष सोनोट्रोड, Hielscher UP100H, 100 वाट, 30kHz) होता है। टाइटेनियम सोनोइलेक्ट्रोड और कार्बन इलेक्ट्रोड निष्क्रिय होते हैं। विद्युत अपघटन केवल तभी होगा जब तनु सल्फ्यूरिक अम्ल के विलयन में विद्युत प्रवाहित की जाए। इसलिए, कार्बन एनोड और एक टाइटेनियम कैथोड को स्थिर वोल्टेज वाली विद्युत आपूर्ति (दिष्ट धारा) से जोड़ा जाता है।
तनु सल्फ्यूरिक अम्ल के विद्युत अपघटन से उत्पन्न हाइड्रोजन गैस और ऑक्सीजन गैस को प्रत्येक इलेक्ट्रोड के ऊपर स्थित अंशांकित बाहरी नलियों में एकत्र किया जाता है। गैस का आयतन बाहरी नलियों में इलेक्ट्रोलाइट को विस्थापित करता है, और अतिरिक्त गैस का आयतन मापा जा सकता है। गैसों के आयतन का सैद्धांतिक अनुपात 2:1 है। विद्युत अपघटन के दौरान, इलेक्ट्रोलाइट से केवल जल ही हाइड्रोजन गैस और ऑक्सीजन गैस के रूप में निकलता है। इसलिए, विद्युत अपघटन के दौरान तनु सल्फ्यूरिक अम्ल की सांद्रता थोड़ी बढ़ जाती है।
नीचे दिया गया वीडियो स्पंदित अल्ट्रासोनिकेशन (100% आयाम, चक्र मोड, 0.2 सेकंड चालू, 0.8 सेकंड बंद) का उपयोग करके तनु सल्फ्यूरिक अम्ल का सोनोइलेक्ट्रोलिसिस दिखाता है। दोनों परीक्षण 2.1V (DC, स्थिर वोल्टेज) पर किए गए थे।
सोनोइलेक्ट्रोलिसिस सेटअप 2 – सरल बैच
काँच के एक पात्र में तनु सल्फ्यूरिक अम्ल (H2SO4, 1.0M) का इलेक्ट्रोलाइट भरा जाता है। इस सरल विद्युत अपघटनी सेल में, इलेक्ट्रोडों को अम्लीकृत जल के विलयन में डुबोया जाता है। धनात्मक एनोड इलेक्ट्रोड कार्बन (8mm) से बना होता है। ऋणात्मक कैथोड एक टाइटेनियम अल्ट्रासोनिक सोनोइलेक्ट्रोड (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 वाट, 30kHz) होता है। विद्युत अपघटन केवल तभी होगा जब तनु सल्फ्यूरिक अम्ल के विलयन में विद्युत प्रवाहित की जाए। इसलिए, कार्बन एनोड और एक टाइटेनियम कैथोड को स्थिर वोल्टेज वाली विद्युत आपूर्ति (दिष्ट धारा) से जोड़ा जाता है। टाइटेनियम इलेक्ट्रोड और कार्बन इलेक्ट्रोड निष्क्रिय होते हैं। इस सेटअप में तनु सल्फ्यूरिक अम्ल के विद्युत अपघटन से उत्पन्न हाइड्रोजन गैस और ऑक्सीजन गैस को एकत्र नहीं किया जाता है। नीचे दिया गया वीडियो इस अत्यंत सरल सेटअप को कार्य करते हुए दिखाता है।
विद्युत अपघटन के दौरान क्या होता है?
हाइड्रोजन आयन ऋणात्मक कैथोड की ओर आकर्षित होते हैं। वहाँ, हाइड्रोजन आयन या जल के अणु इलेक्ट्रॉन ग्रहण करके हाइड्रोजन गैस के अणुओं में अपचयित हो जाते हैं। परिणामस्वरूप हाइड्रोजन गैस के अणु हाइड्रोजन गैस के रूप में मुक्त होते हैं। कई अभिक्रियाशील धातुओं के लवणों या अम्लों के विलयनों का विद्युत अपघटन ऋणात्मक कैथोड इलेक्ट्रोड पर हाइड्रोजन उत्पन्न करता है।
ऋणात्मक सल्फेट आयन या सूक्ष्म मात्रा में उपस्थित हाइड्रॉक्साइड आयन धनात्मक एनोड की ओर आकर्षित होते हैं। सल्फेट आयन स्वयं इतना स्थिर होता है कि कोई अभिक्रिया नहीं होती। हाइड्रॉक्साइड आयन या जल के अणु एनोड पर विसर्जित और ऑक्सीकृत होकर ऑक्सीजन बनाते हैं। यह धनात्मक एनोड अभिक्रिया इलेक्ट्रॉनों के त्याग से होने वाली एक ऑक्सीकरण इलेक्ट्रोड अभिक्रिया है।
हम तनु सल्फ्यूरिक अम्ल का उपयोग क्यों करते हैं?
जल में हाइड्रोजन आयन और हाइड्रॉक्साइड आयन केवल अत्यल्प सांद्रता में होते हैं। इससे विद्युत चालकता सीमित होती है। तनु सल्फ्यूरिक अम्ल से प्राप्त हाइड्रोजन आयनों और सल्फेट आयनों की उच्च सांद्रताएँ इलेक्ट्रोलाइट की विद्युत चालकता में सुधार करती हैं। विकल्प के रूप में, आप पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड (KOH) या सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NAOH) जैसे क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट विलयन, और जल का उपयोग कर सकते हैं। लवणों या सल्फ्यूरिक अम्ल के अनेक विलयनों का विद्युत अपघटन ऋणात्मक कैथोड पर हाइड्रोजन और धनात्मक एनोड पर ऑक्सीजन उत्पन्न करता है। हाइड्रोक्लोरिक अम्ल या क्लोराइड लवणों का विद्युत अपघटन एनोड पर क्लोरीन उत्पन्न करता है।
इलेक्ट्रोलाइज़र क्या है?
इलेक्ट्रोलाइज़र एक उपकरण है जो विद्युत अपघटन नामक प्रक्रिया द्वारा जल को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में अलग करता है। इलेक्ट्रोलाइज़र हाइड्रोजन गैस और ऑक्सीजन गैस उत्पन्न करने के लिए विद्युत का उपयोग करता है। हाइड्रोजन गैस को संपीड़ित या द्रवीकृत गैस के रूप में संग्रहित किया जा सकता है। हाइड्रोजन एक ऊर्जा वाहक है जिसका उपयोग कारों, रेलगाड़ियों, बसों या ट्रकों में हाइड्रोजन ईंधन सेल में किया जाता है।
एक बुनियादी इलेक्ट्रोलाइज़र में एक कैथोड (ऋणात्मक आवेश), एक एनोड (धनात्मक आवेश) और परिधीय घटक होते हैं, जैसे पंप, निकास छिद्र, भंडारण टैंक, विद्युत आपूर्ति, विभाजक तथा अन्य घटक। जल का विद्युत अपघटन एक विद्युतरासायनिक अभिक्रिया है जो इलेक्ट्रोलाइज़र के भीतर होती है। एनोड और कैथोड को दिष्ट धारा से विद्युत दी जाती है और जल (H20) अपने घटकों हाइड्रोजन (H2) और ऑक्सीजन (O2) में विभाजित हो जाता है।
साहित्य / संदर्भ
- 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.