Proizvodnja sonoelektrolitika vodik iz razrijeđene sumporne kiseline
Elektroliza razrijeđene sumporne kiseline proizvodi vodikov plin i plin kisik. Ultrazvuka smanjuje debljinu difuzijskog sloja na površini elektrode i poboljšava prijenos mase tijekom elektrolize. Ultrazvuka može značajno povećati stope proizvodnje vodikovog plina u elektrolitičkoj ćeliji.
U nastavku su opisane dvije eksperimentalne postavke s karbonskom anodom i katodom od titana. Kako bi se pokazali pozitivni učinci ultrazvuka na elektrolizu, katoda titana je sonoelektroda. To dodaje ultrazvučne vibracije i karitaciju elektrolitičkoj proizvodnji vodika i kisika iz razrijeđene sumporne kiseline. Kombinacija ultrazvuka sa strujom koristi se u sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis i sonoelectrosynthesis.
Hielscher ultrazvučni homogenizator UP100H (100 W, 30kHz) opremljen je sonoelectrochemical nadogradnjom. To omogućuje korištenje sonotroda kao katode ili anode u elektrolitičkom procesu. Za industrijske sonoelektrolitičke postavke kliknite ovdje!
Sonoelektrična katoda na UP100H ultrazvučnom procesoru
Postavljanje sonoelektrolize 1 – Nepodijeljena ćelija tipa H
Postava koristi razrijeđenu sumpornu kiselinu (H2SO4, 1.0M). Nepodijeljena ćelija tipa H ispunjena je elektrolitom. Ova ćelija je poznata kao Hofmann Voltameter. Ima tri spojena uspravna staklena cilindra. Unutarnji cilindar je otvoren na vrhu kako bi se omogućilo punjenje elektrolitom. Otvaranje ventila na vrhu vanjskih cijevi omogućuje bilo kojem plinu da pobjegne tijekom punjenja. U elektrolitičkoj ćeliji elektrode su zapečaćene gumenim prstenovima i uronjene naopako u otopinu zakiseljene vode. Pozitivna anodna elektroda izrađena je od ugljika (8 mm). Negativna katoda je titanski ultrazvučni sonoelektrod (10 mm, posebna visoka površina sonotrode, Hielscher UP100H, 100 W, 30kHz). Titanski sonoelektrod i ugljična elektroda su inertni. Elektroliza će se odvijati tek kada se električna energija prođe kroz otopinu razrijeđene sumporne kiseline. Stoga su karbonska anoda i katoda od titana spojeni na stalno napajanje napona (istosmjenska struja).
Vodikov plin i plin kisika proizveden u elektrolizi razrijeđene sumporne kiseline prikupljaju se u diplomiranim vanjskim cijevima iznad svake elektrode. Volumen plina istiskuje elektrolit u vanjskim cijevima, a može se izmjeriti i volumen dodatnog plina. Teoretski omjer volumena plina je 2:1. Tijekom elektrolize iz elektrolita se uklanja samo voda kao vodikov plin i plin kisik. Stoga koncentracija razrijeđene sumporne kiseline lagano raste tijekom elektrolize.
Video u nastavku prikazuje sonoelektrolizu razrijeđene sumporne kiseline pomoću pulsirajuće ultrazvukacije (100% amplitude, način ciklusa, 0,2 sekunde na, 0,8 sekundi). Oba testa su provedena na 2.1V (DC, stalni napon).
Postavljanje sonoelektrolize 2 – Jednostavna serija
Staklena posuda ispunjena je elektrolitom razrijeđene sumporne kiseline (H2SO4, 1.0M). U ovoj jednostavnoj elektrolitičkoj ćeliji elektrode su uronjene u otopinu zakiseljene vode. Pozitivna anodna elektroda izrađena je od ugljika (8 mm). Negativna katoda je titanski ultrazvučni sonoelektrod (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 W, 30kHz). Elektroliza će se odvijati tek kada se električna energija prođe kroz otopinu razrijeđene sumporne kiseline. Stoga su karbonska anoda i katoda od titana spojeni na stalno napajanje napona (istosmjenska struja). Titanska elektroda i ugljična elektroda su inertne. Vodikov plin i plin kisika proizveden u elektrolizi razrijeđene sumporne kiseline ne prikupljaju se u ovoj postavi. Videozapis u nastavku prikazuje ovu vrlo jednostavnu postavku u radu.
Što se događa tijekom elektrolize?
Vodikove ione privlači negativna katoda. Tamo se molekule vodikovog iona ili vode svesti na molekule vodikovog plina dobitkom elektrona. Kao rezultat toga molekule vodikovog plina ispuštaju se kao vodikov plin. Elektroliza mnogih reaktivnih metalnih soli ili kiselih otopina proizvodi vodik na negativnoj katodnoj elektrodi.
Negativne sulfatne ione ili tragove hidroksidnih iona privlači pozitivna anoda. Sam sulfat je previše stabilan, tako da se ništa ne događa. Hidroksidni ioni ili molekule vode ispuštaju se i oksidiraju na anodu kako bi se formirao kisik. Ova pozitivna reakcija anoda je oksidacijska reakcija elektrode gubitkom elektrona.
Zašto koristimo razrijeđenu sumpornu kiselinu?
Voda sadrži minutne koncentracije vodikovih iona i iona hidroksida, samo. To ograničava električnu vodljivost. Visoke koncentracije vodikovih iona i iona sulfata iz razrijeđene sumporne kiseline poboljšavaju električnu vodljivost elektrolita. Alternativno, možete koristiti otopinu alkalnih elektrolita kao što su kalijev hidroksid (KOH) ili natrijev hidroksid (NAOH) i voda. Elektroliza mnogih otopina soli ili sumporne kiseline proizvodi vodik na negativnoj katodi i kisik na pozitivnoj anodi. Elektroliza klorovodične kiseline ili klorid soli proizvodi klor na anodi.
Što je elektrolizator?
Elektrolizator je uređaj za odvajanje vode u vodik i kisik u procesu poznatom kao elektroliza. Elektrolizator koristi struju za proizvodnju vodikovog plina i kisika. Vodikov plin može se skladištiti kao komprimirani ili ukapljeni plin. Vodik je nositelj energije za uporabu u vodikovim gorivnim ćelijama u automobilima, vlakovima, autobusima ili kamionima.
Osnovni elektrolizator sadrži katodu (negativan naboj) i anodu (pozitivan naboj) i periferne komponente, kao što su pumpe, otvori, spremnici, napajanje, separator i druge komponente. Elektroliza vode je elektrokemijska reakcija koja se javlja unutar elektrolizatora. Anoda i katoda napajaju se izravnom strujom, a voda (H20) se dijeli na njegove komponente vodik (H2) i kisik (O2).
Književnost / Reference
- 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.