Sonoelektrolitička proizvodnja vodika iz razrijeđene sumporne kiseline
Elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline nastaju plinoviti vodik i plinoviti kisik. Sonikacija smanjuje debljinu difuzijskog sloja na površini elektrode i poboljšava prijenos tvari tijekom elektrolize. Sonikacija može znatno povećati brzinu proizvodnje plinovitog vodika u elektrolitičkoj ćeliji.
U nastavku su opisana dva eksperimentalna postava s ugljikovom anodom i titanijskom katodom. Kako bi se pokazali pozitivni učinci sonikacije na elektrolizu, kao titanijska katoda upotrebljava se sonoelektroda. Time se u elektrolitičku proizvodnju vodika i kisika iz razrijeđene sumporne kiseline uvode ultrazvučne vibracije i kavitacija. Kombinacija ultrazvuka i električne energije upotrebljava se u sonoelektrokemiji, sonoelektrolizi i sonoelektrosintezi.
Ultrazvučni homogenizator Hielscher UP100H (100 vata, 30kHz) opremljen je sonoelektrokemijskom nadogradnjom. To omogućuje upotrebu sonotrode kao katode ili anode u elektrolitičkom procesu. Za industrijske sonoelektrolitičke postave kliknite ovdje!
Sonoelektrična katoda na ultrazvučnom procesoru UP100H
Postav za sonoelektrolizu 1 – Nepodijeljena ćelija tipa H
U postavu se upotrebljava razrijeđena sumporna kiselina (H2SO4, 1,0M). Nepodijeljena ćelija tipa H ispunjena je elektrolitom. Ta je ćelija poznata kao Hofmannov voltametar. Ima tri spojena uspravna staklena cilindra. Središnji cilindar otvoren je na vrhu kako bi se omogućilo punjenje elektrolitom. Otvaranjem ventila na vrhu vanjskih cijevi omogućuje se izlazak svih plinova tijekom punjenja. U elektrolitičkoj ćeliji elektrode su zabrtvljene gumenim prstenovima i uronjene naopako u otopinu zakiseljene vode. Pozitivna anodna elektroda izrađena je od ugljika (8mm). Negativna katoda titanijska je ultrazvučna sonoelektroda (10mm, posebna sonotroda velike površine, Hielscher UP100H, 100 vata, 30kHz). Titanijska sonoelektroda i ugljikova elektroda inertne su. Elektroliza će se odvijati samo kada električna struja prolazi kroz otopinu razrijeđene sumporne kiseline. Stoga su ugljikova anoda i titanijska katoda spojene na izvor napajanja stalnog napona (istosmjerna struja).
Plinoviti vodik i plinoviti kisik nastali elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline prikupljaju se u graduiranim vanjskim cijevima iznad svake elektrode. Volumen plina istiskuje elektrolit u vanjskim cijevima, a volumen dodatno nastalog plina može se izmjeriti. Teorijski omjer volumena plinova iznosi 2:1. Tijekom elektrolize iz elektrolita se uklanja samo voda u obliku plinovitog vodika i plinovitog kisika. Stoga koncentracija razrijeđene sumporne kiseline tijekom elektrolize blago raste.
Videozapis u nastavku prikazuje sonoelektrolizu razrijeđene sumporne kiseline uz primjenu pulsne sonikacije (100% amplitude, ciklički način rada, 0,2 sekunde uključeno, 0,8 sekundi isključeno). Oba su ispitivanja provedena pri 2,1V (istosmjerna struja, stalni napon).
Postav za sonoelektrolizu 2 – Jednostavan šaržni postupak
Staklena posuda napunjena je elektrolitom od 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 (8mm). Negativna katoda titanijska je ultrazvučna sonoelektroda (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vata, 30kHz). Elektroliza će se odvijati samo kada električna struja prolazi kroz otopinu razrijeđene sumporne kiseline. Stoga su ugljikova anoda i titanijska katoda spojene na izvor napajanja stalnog napona (istosmjerna struja). Titanijska elektroda i ugljikova elektroda inertne su. Plinoviti vodik i plinoviti kisik nastali elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline ne prikupljaju se u ovom postavu. Videozapis u nastavku prikazuje ovaj vrlo jednostavan postav u radu.
Što se događa tijekom elektrolize?
Vodikove ione privlači negativna katoda. Ondje se vodikovi ioni ili molekule vode primanjem elektrona reduciraju u molekule plinovitog vodika. Kao rezultat toga molekule plinovitog vodika izlučuju se u obliku plinovitog vodika. Elektrolizom mnogih soli reaktivnih metala ili otopina kiselina nastaje vodik na negativnoj katodnoj elektrodi.
Negativne sulfatne ione ili tragove hidroksidnih iona privlači pozitivna anoda. Sam sulfatni ion previše je stabilan pa se s njim ništa ne događa. Hidroksidni ioni ili molekule vode izlučuju se i oksidiraju na anodi uz nastajanje kisika. Ova reakcija na pozitivnoj anodi jest elektrodna reakcija oksidacije gubitkom elektrona.
Zašto upotrebljavamo razrijeđenu sumpornu kiselinu?
Voda sadrži samo vrlo male koncentracije vodikovih i hidroksidnih iona. To ograničava električnu vodljivost. Visoke koncentracije vodikovih i sulfatnih iona iz razrijeđene sumporne kiseline poboljšavaju električnu vodljivost elektrolita. Alternativno možete upotrijebiti alkalnu otopinu elektrolita, poput kalijeva hidroksida (KOH) ili natrijeva hidroksida (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 elektrolizator?
Elektrolizator je uređaj za razlaganje vode na vodik i kisik u procesu poznatom kao elektroliza. Elektrolizator upotrebljava električnu energiju za proizvodnju plinovitog vodika i plinovitog kisika. Plinoviti vodik može se skladištiti kao stlačeni ili ukapljeni plin. Vodik je nositelj energije za upotrebu u vodikovoj gorivnoj ćeliji u automobilima, vlakovima, autobusima ili kamionima.
Osnovni elektrolizator sadrži katodu (negativan naboj) i anodu (pozitivan naboj) te periferne komponente, poput crpki, odušaka, spremnika, izvora napajanja, separatora i drugih komponenata. Elektroliza vode elektrokemijska je reakcija koja se odvija unutar elektrolizatora. Anoda i katoda napajaju se istosmjernom strujom, a voda (H20) razlaže se na svoje sastavnice, 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.