Szonoelektrolitikus hidrogéntermelés híg kénsavból
A híg kénsav elektrolízise hidrogéngázt és oxigéngázt termel. Az ultrahangos kezelés csökkenti a diffúziós réteg vastagságát az elektród felületén, és javítja az anyagátadást az elektrolízis során. Az ultrahangos kezelés jelentősen növelheti a hidrogéngáz termelési sebességét az elektrolizáló cellában.
Az alábbiakban két, szénanódot és titánkatódot alkalmazó kísérleti elrendezést ismertetünk. Az ultrahangos kezelés elektrolízisre gyakorolt kedvező hatásainak bemutatásához a titánkatód szonoelektródként működik. Ez ultrahangos rezgésekkel és kavitációval egészíti ki a hidrogén és az oxigén híg kénsavból történő elektrolitikus előállítását. Az ultrahang és az elektromosság kombinációját a szonoelektrokémiában, a szonoelektrolízisben és a szonoelektroszintézisben alkalmazzák.
A Hielscher UP100H ultrahangos homogenizátor (100 watt, 30kHz) szonoelektrokémiai kiegészítéssel van felszerelve. Ez lehetővé teszi, hogy a szonotródát katódként vagy anódként használják egy elektrolitikus folyamatban. Az ipari szonoelektrolitikus elrendezések megtekintéséhez kattintson ide!
Szonoelektromos katód az UP100H ultrahangos processzoron
1. szonoelektrolízis-elrendezés – H típusú, osztatlan cella
Az elrendezés híg kénsavat (H2SO4, 1,0M) használ. Egy H típusú, osztatlan cellát töltenek meg az elektrolittal. Ezt a cellát Hofmann-voltaméterként ismerik. Három összekapcsolt, függőleges üveghengerből áll. A belső henger felül nyitott, hogy lehetővé tegye az elektrolittal való feltöltést. A külső csövek tetején lévő szelepek kinyitásával a feltöltés során minden gáz távozhat. Az elektrolizáló cellában az elektródok tömítését gumigyűrűk biztosítják, és az elektródokat fejjel lefelé merítik a savanyított víz oldatába. A pozitív anódelektród szénből készül (8mm). A negatív katód egy titánból készült ultrahangos szonoelektród (10mm, speciális, nagy felületű szonotróda, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). A titán szonoelektród és a szénelektród inert. Az elektrolízis csak akkor megy végbe, ha elektromos áramot vezetnek át a híg kénsavoldaton. Ezért a szénanódot és a titánkatódot állandó feszültségű tápegységhez csatlakoztatják (egyenáram).
A híg kénsav elektrolízise során keletkező hidrogéngázt és oxigéngázt az egyes elektródok felett elhelyezkedő, beosztással ellátott külső csövekben gyűjtik össze. A gáz térfogata kiszorítja az elektrolitot a külső csövekben, így a további keletkező gáz térfogata mérhető. A gáztérfogatok elméleti aránya 2:1. Az elektrolízis során csak víz távozik az elektrolitból hidrogéngáz és oxigéngáz formájában. Ezért a híg kénsav koncentrációja kissé nő az elektrolízis során.
Az alábbi videó a híg kénsav szonoelektrolízisét mutatja be impulzusos ultrahangos kezeléssel (100% amplitúdó, ciklusüzemmód, 0,2 másodperc bekapcsolva, 0,8 másodperc kikapcsolva). Mindkét vizsgálatot 2,1V feszültségen végezték (DC, állandó feszültség).
2. szonoelektrolízis-elrendezés – Egyszerű szakaszos rendszer
Egy üvegedényt híg kénsavból álló elektrolittal (H2SO4, 1,0M) töltenek meg. Ebben az egyszerű elektrolizáló cellában az elektródokat a savanyított víz oldatába merítik. A pozitív anódelektród szénből készül (8mm). A negatív katód egy titánból készült ultrahangos szonoelektród (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Az elektrolízis csak akkor megy végbe, ha elektromos áramot vezetnek át a híg kénsavoldaton. Ezért a szénanódot és a titánkatódot állandó feszültségű tápegységhez csatlakoztatják (egyenáram). A titánelektród és a szénelektród inert. A híg kénsav elektrolízise során keletkező hidrogéngázt és oxigéngázt ebben az elrendezésben nem gyűjtik össze. Az alábbi videó ezt a nagyon egyszerű elrendezést mutatja be működés közben.
Mi történik az elektrolízis során?
A hidrogénionokat a negatív katód vonzza. Ott a hidrogénionok vagy a vízmolekulák elektronfelvétellel hidrogéngáz-molekulákká redukálódnak. Ennek eredményeként a hidrogéngáz-molekulák hidrogéngázként szabadulnak fel. Számos reakcióképes fém sójának vagy savoldatnak az elektrolízise hidrogént termel a negatív katódelektródon.
A negatív szulfátionokat vagy a nyomokban jelen lévő hidroxidionokat a pozitív anód vonzza. Maga a szulfátion túl stabil, így nem történik vele semmi. A hidroxidionok vagy a vízmolekulák az anódon kisülnek és oxidálódnak, oxigént képezve. Ez a pozitív anódon végbemenő reakció elektronleadással járó oxidációs elektródreakció.
Miért használunk híg kénsavat?
A víz csak igen kis koncentrációban tartalmaz hidrogénionokat és hidroxidionokat. Ez korlátozza az elektromos vezetőképességet. A híg kénsavból származó hidrogénionok és szulfátionok nagy koncentrációja javítja az elektrolit elektromos vezetőképességét. Alternatív megoldásként használhat lúgos elektrolitoldatot, például kálium-hidroxidot (KOH) vagy nátrium-hidroxidot (NAOH), valamint vizet. Számos sóoldat vagy kénsavoldat elektrolízise hidrogént termel a negatív katódon és oxigént a pozitív anódon. A sósav vagy a kloridsók elektrolízise klórt termel az anódon.
Mi az elektrolizáló?
Az elektrolizáló olyan készülék, amely a vizet hidrogénre és oxigénre bontja az elektrolízisnek nevezett folyamat során. Az elektrolizáló elektromos áramot használ hidrogéngáz és oxigéngáz előállítására. A hidrogéngáz sűrített vagy cseppfolyósított gázként tárolható. A hidrogén olyan energiahordozó, amely személygépkocsik, vonatok, buszok vagy teherautók hidrogén-üzemanyagcelláiban használható.
Egy alapvető elektrolizáló katódot (negatív töltés) és anódot (pozitív töltés), valamint perifériás részegységeket, például szivattyúkat, szellőzőnyílásokat, tárolótartályokat, tápegységet, szeparátort és egyéb részegységeket tartalmaz. A víz elektrolízise az elektrolizálón belül végbemenő elektrokémiai reakció. Az anódot és a katódot egyenárammal táplálják, és a víz (H20) alkotóelemeire, hidrogénre (H2) és oxigénre (O2) bomlik.
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.