Sonoelektrolitikus hidrogéntermelés híg kénsavból
A híg kénsav elektrolízise hidrogéngázt és oxigéngázt eredményez. Az ultrahangos kezelés csökkenti a diffúziós réteg vastagságát az elektróda felületén, és javítja a tömegátadást az elektrolízis során. Az ultrahangos kezelés jelentősen növelheti a hidrogéngáz termelési sebességét az elektrolitikus cellában.
Az alábbiakban két kísérleti beállítást ismertetünk egy szénanóddal és egy titánkatóddal. Az ultrahangos kezelés elektrolízisre gyakorolt pozitív hatásainak bemutatására a titán katód egy sonoelectrode. Ez ultrahangos rezgéseket és kavitációt ad a hidrogén és az oxigén elektrolitikus előállításához híg kénsavból. Az ultrahang és a villamos energia kombinációját használják sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis és sonoelectrosynthesis.
A Hielscher ultrahangos homogenizátor UP100H (100 watt, 30kHz) sonoelectrochemical frissítéssel van felszerelve. Ez lehetővé teszi a sonotrode katódként vagy anódként történő használatát elektrolitikus folyamatban. Az ipari szonoelektrolitikus beállításokhoz kattintson ide!
Sonoelektromos katód UP100H ultrahangos processzoron
Sonoelectrolysis beállítása 1 – H-típusú osztatlan cella
A beállítás híg kénsavat (H2SO4, 1,0M) használ. Egy H-típusú osztatlan cellát töltünk elektrolittal. Ezt a cellát Hofmann-voltaméternek nevezik. Három összekapcsolt függőleges üveghengerrel rendelkezik. A belső henger felül nyitva van, hogy lehetővé tegye az elektrolittal való feltöltést. A külső csövek tetején lévő szelepek kinyitása lehetővé teszi, hogy a töltés során bármilyen gáz távozzon. Az elektrolitikus cellában az elektródákat gumigyűrűkkel lezárják, és fejjel lefelé merítik a savanyított víz oldatába. A pozitív anódelektróda szénből (8 mm) készül. A negatív katód egy titán ultrahangos szonoelektróda (10mm, speciális nagy felületű sonotrode, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). A titán sonoelectrode és a szénelektróda inert. Az elektrolízisre csak akkor kerül sor, ha a villamos energiát a hígított kénsavoldaton vezetik át. Ezért a szénanód és a titánkatód állandó feszültségű tápegységhez (egyenáramhoz) van csatlakoztatva.
A hígított kénsav elektrolízise során keletkező hidrogéngázt és oxigéngázt az egyes elektródák fölötti beosztással ellátott külső csövekbe gyűjtik. A gáztérfogat kiszorítja az elektrolitot a külső csövekben, és a további gáz térfogata mérhető. A gáztérfogat elméleti aránya 2:1. Az elektrolízis során csak vizet távolítanak el az elektrolitból hidrogéngáz és oxigéngáz formájában. Ezért a híg kénsav koncentrációja kissé emelkedik az elektrolízis során.
Az alábbi videó a hígított kénsav sonoelectrolízisét mutatja pulzáló ultrahangos kezeléssel (100% amplitúdó, ciklus üzemmód, 0,2 másodperc be, 0,8 másodperc ki). Mindkét tesztet 2,1 V-on (DC, állandó feszültség) futtattuk.
Sonoelectrolysis beállítása 2 – Egyszerű köteg
Egy üvegedényt hígított kénsav elektrolitjával (H2SO4, 1,0M) töltünk. Ebben az egyszerű elektrolitikus cellában az elektródákat a savanyított víz oldatába merítik. A pozitív anódelektróda szénből (8 mm) készül. A negatív katód egy titán ultrahangos szonoelektróda (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Az elektrolízisre csak akkor kerül sor, ha a villamos energiát a hígított kénsavoldaton vezetik át. Ezért a szénanód és a titánkatód állandó feszültségű tápegységhez (egyenáramhoz) van csatlakoztatva. A titánelektróda és a szénelektróda inert. A hígított kénsav elektrolízise során keletkező hidrogéngázt és oxigéngázt ebben az összeállításban nem gyűjtik össze. Az alábbi videó bemutatja ezt a nagyon egyszerű beállítást.
Mi történik az elektrolízis során?
A hidrogénionok vonzódnak a negatív katódhoz. Ott a hidrogénion- vagy vízmolekulákat elektronnyereséggel hidrogéngázmolekulákká redukálják. Ennek eredményeként a hidrogéngázmolekulák hidrogéngázként kerülnek kibocsátásra. Számos reaktív fémsó vagy savas oldat elektrolízise hidrogént termel a negatív katódelektródon.
A negatív szulfátionok vagy a hidroxidionok nyomai vonzódnak a pozitív anódhoz. Maga a szulfátion túl stabil, így semmi sem történik. A hidroxidionokat vagy vízmolekulákat az anódon ürítik és oxidálják, hogy oxigént képezzenek. Ez a pozitív anódreakció egy oxidációs elektróda reakció elektronveszteséggel.
Miért használunk híg kénsavat?
A víz csak kis koncentrációban tartalmaz hidrogénionokat és hidroxidionokat. Ez korlátozza az elektromos vezetőképességet. A híg kénsavból származó hidrogénionok és szulfátionok magas koncentrációja javítja az elektrolit elektromos vezetőképességét. Alternatív megoldásként lúgos elektrolitoldatot, például kálium-hidroxidot (KOH) vagy nátrium-hidroxidot (NAOH) és vizet is használhat. A sók vagy kénsav számos oldatának elektrolízise hidrogént termel a negatív katódon és oxigént a pozitív anódon. A sósav vagy kloridsók elektrolízise klórt termel az anódon.
Mi az elektrolizátor?
Az elektrolizátor olyan eszköz, amely a vizet hidrogénre és oxigénre választja az elektrolízis néven ismert folyamatban. Az elektrolizátor villamos energiát használ hidrogéngáz és oxigéngáz előállítására. A hidrogéngáz sűrített vagy cseppfolyósított gázként tárolható. A hidrogén egy energiahordozó, amelyet autókban, vonatokban, buszokban vagy teherautókban használnak hidrogén üzemanyagcellában.
Az alapvető elektrolizátor tartalmaz egy katódot (negatív töltés) és egy anódot (pozitív töltés), valamint perifériás alkatrészeket, például szivattyúkat, szellőzőnyílásokat, tárolótartályokat, tápegységet, szeparátort és egyéb alkatrészeket. A víz elektrolízise egy elektrokémiai reakció, amely az elektrolizátorban történik. Az anódot és a katódot egyenáram táplálja, és a víz (H20) hidrogénre (H2) és oxigénre (O2) oszlik.
Irodalom / 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.