Sonoelektrolitička proizvodnja vodika iz razrijeđene sumporne kiseline
Elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline nastaju plin vodik i kisik. Ultrasonication smanjuje debljinu difuzijskog sloja na površini elektrode i poboljšava prijenos mase tijekom elektrolize. Ultrasonication može povećati stope proizvodnje vodika u elektrolitičkoj ćeliji, značajno.
Dolje su opisane dvije eksperimentalne postavke s ugljičnom anodom i titanskom katodom. Za demonstraciju pozitivnih učinaka ultrazvuka na elektrolizu, titanska katoda je sonoelektroda. To dodaje ultrazvučne vibracije i kavitaciju elektrolitičkoj proizvodnji vodika i kisika iz razrijeđene sumporne kiseline. Kombinacija ultrazvuka i električne energije koristi se u sonoelektrokemiji, sonoelektrolizi i sonoelektrosintezi.
Hielscher ultrazvučni homogenizator UP100H (100 watta, 30 kHz) opremljen je sonoelektrokemijskom nadogradnjom. To omogućuje korištenje sonotrode kao katode ili anode u elektrolitičkom procesu. Za industrijske sonoelektrolitičke postavke kliknite ovdje!
Sonoelektrična katoda na ultrazvučnom procesoru UP100H
Postavljanje sonoelektrolize 1 – H-tip nepodijeljene ćelije
Postrojenje koristi razrijeđenu sumpornu kiselinu (H2SO4, 1,0 M). Nepodijeljena ćelija tipa H ispunjena je elektrolitom. Ova ćelija je poznata kao Hofmannov voltametar. 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 ispuštanje plina tijekom punjenja. U elektrolitičkoj ćeliji elektrode su zabrtvljene gumenim prstenovima i naopako uronjene u otopinu zakiseljene vode. Pozitivna anodna elektroda izrađena je od ugljika (8 mm). Negativna katoda je ultrazvučna sonoelektroda od titana (10 mm, posebna sonotroda velike površine, Hielscher UP100H, 100 vata, 30 kHz). Titanska sonoelektroda i ugljična elektroda su inertne. Elektroliza će se odvijati samo kada električna energija prolazi kroz razrijeđenu otopinu sumporne kiseline. Stoga su ugljična anoda i titanska katoda spojene na izvor napajanja konstantnim naponom (istosmjerna struja).
Plinoviti vodik i plinoviti kisik proizvedeni elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline skupljaju se u graduiranim vanjskim cijevima iznad svake elektrode. Volumen plina istiskuje elektrolit u vanjskim cijevima, a volumen dodatnog plina može se izmjeriti. Teorijski omjer volumena plina je 2:1. Tijekom elektrolize samo se voda uklanja iz elektrolita kao plinoviti vodik i plinoviti kisik. Stoga se koncentracija razrijeđene sumporne kiseline lagano povećava tijekom elektrolize.
Video u nastavku prikazuje sonoelektrolizu razrijeđene sumporne kiseline pomoću pulsirajuće ultrazvučne obrade (100% amplituda, ciklusni način rada, 0,2 sekunde uključeno, 0,8 sekundi isključeno). Oba su testa provedena na 2,1 V (DC, konstantni napon).
Postavljanje sonoelektrolize 2 – Jednostavna serija
Staklena posuda napunjena je elektrolitom razrijeđene sumporne kiseline (H2SO4, 1,0 M). U ovoj jednostavnoj elektrolitičkoj ćeliji elektrode su uronjene u otopinu zakiseljene vode. Pozitivna anodna elektroda izrađena je od ugljika (8 mm). Negativna katoda je ultrazvučna sonoelektroda od titana (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vata, 30 kHz). Elektroliza će se odvijati samo kada električna energija prolazi kroz razrijeđenu otopinu sumporne kiseline. Stoga su ugljična anoda i titanska katoda spojene na izvor napajanja konstantnim naponom (istosmjerna struja). Titanska elektroda i ugljična elektroda su inertne. Plinoviti vodik i plinoviti kisik proizvedeni elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline ne skupljaju se u ovom uređaju. Video ispod prikazuje ovu vrlo jednostavnu postavku u radu.
Što se događa tijekom elektrolize?
Vodikovi ioni privlače negativnu katodu. Tamo se vodikovi ioni ili molekule vode reduciraju u molekule plinovitog vodika dobivanjem elektrona. Kao rezultat toga, molekule plinovitog vodika se ispuštaju kao plinoviti vodik. Elektroliza mnogih reaktivnih metalnih soli ili kiselih otopina proizvodi vodik na negativnoj katodnoj elektrodi.
Negativni sulfatni ioni ili tragovi hidroksidnih iona privlače pozitivnu anodu. Sam sulfatni ion je previše stabilan, tako da se ništa ne događa. Hidroksidni ioni ili molekule vode ispuštaju se i oksidiraju na anodi u kisik. Ova pozitivna anodna reakcija je oksidacijska elektrodna reakcija gubitkom elektrona.
Zašto koristimo razrijeđenu sumpornu kiselinu?
Voda sadrži samo male koncentracije vodikovih iona i hidroksidnih iona. To ograničava električnu vodljivost. Visoke koncentracije vodikovih iona i sulfatnih iona iz razrijeđene sumporne kiseline poboljšavaju električnu vodljivost elektrolita. Alternativno, možete koristiti otopinu alkalnog elektrolita kao što je kalijev hidroksid (KOH) ili natrijev hidroksid (NAOH) i vodu. Elektrolizom mnogih otopina soli ili sumporne kiseline nastaje vodik na negativnoj katodi i kisik na pozitivnoj anodi. Elektrolizom klorovodične kiseline ili kloridnih soli nastaje klor na anodi.
Što je elektrolizer?
Elektrolizer je uređaj za razdvajanje vode na vodik i kisik u procesu poznatom kao elektroliza. Elektrolizer koristi električnu energiju za proizvodnju vodika i kisika. Vodik se može skladištiti kao komprimirani ili ukapljeni plin. Vodik je nositelj energije za upotrebu u vodikovim gorivim ćelijama u automobilima, vlakovima, autobusima ili kamionima.
Osnovni elektrolizator sadrži katodu (negativni naboj) i anodu (pozitivan naboj) i periferne komponente, kao što su pumpe, ventilacijski otvori, spremnici za pohranu, napajanje, separator i druge komponente. Elektroliza vode je elektrokemijska reakcija koja se odvija unutar elektrolizera. Anoda i katoda napajaju se istosmjernom strujom, a voda (H20) se dijeli na svoje komponente vodik (H2) i kisik (O2).
Literatura / 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.