Սոնոէլեկտրոլիտիկ ջրածնի արտադրություն նոսր ծծմբական թթվից
Նոսրած ծծմբաթթվի էլեկտրոլիզից առաջանում են ջրածնային գազ և թթվածին գազ: Ultrasonication-ը նվազեցնում է դիֆուզիոն շերտի հաստությունը էլեկտրոդի մակերեսին և բարելավում է զանգվածի փոխանցումը էլեկտրոլիզի ընթացքում: Ultrasonication-ը կարող է զգալիորեն մեծացնել ջրածնի գազի արտադրության տեմպերը էլեկտրոլիտիկ խցում:
Ստորև նկարագրված են ածխածնի անոդով և տիտանի կաթոդով երկու փորձնական կարգավորումներ: Ուլտրաձայնային ազդեցության դրական ազդեցությունը էլեկտրոլիզի վրա ցուցադրելու համար տիտանի կաթոդը սոնոէլեկտրոդ է: Սա ավելացնում է ուլտրաձայնային թրթռումները և կավիտացիան նոսր ծծմբաթթվից ջրածնի և թթվածնի էլեկտրոլիտիկ արտադրությանը: Ուլտրաձայնի համադրությունը էլեկտրականության հետ օգտագործվում է սոնոէլեկտրոքիմիայի, սոնոէլեկտրոլիզում և սոնոէլեկտրոսինթեզում:
Hielscher ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորը UP100H (100 վտ, 30 կՀց) հագեցած է sonoelectrochemical արդիականացմամբ: Սա թույլ է տալիս օգտագործել sonotrode որպես կաթոդ կամ անոդ էլեկտրոլիտիկ գործընթացում: Արդյունաբերական sonoelectrolytic setups-ի համար սեղմեք այստեղ:
Sonoelectric կաթոդ UP100H ուլտրաձայնային պրոցեսորի վրա
Սոնոէլեկտրոլիզի կարգավորում 1 – H-տիպի չբաժանված բջիջ
Կարգավորումն օգտագործում է նոսր ծծմբաթթու (H2SO4, 1.0M): H- տիպի չբաժանված բջիջը լցված է էլեկտրոլիտով: Այս բջիջը հայտնի է որպես Հոֆման վոլտամետր: Այն ունի երեք միացված ուղղահայաց ապակյա բալոններ։ Ներքին մխոցը բաց է վերևում՝ էլեկտրոլիտով լցնելու համար: Արտաքին խողովակների վերևում գտնվող փականների բացումը թույլ է տալիս ցանկացած գազի դուրս գալ լիցքավորման ժամանակ: Էլեկտրոլիտիկ խցում էլեկտրոդները կնքվում են ռետինե օղակներով և գլխիվայր ընկղմվում թթվացված ջրի լուծույթի մեջ: Դրական անոդային էլեկտրոդը պատրաստված է ածխածնից (8 մմ): Բացասական կաթոդը տիտանի ուլտրաձայնային սոնոէլեկտրոդ է (10 մմ, հատուկ բարձր մակերեսով sonotrode, Hielscher UP100H, 100 վտ, 30 կՀց): Տիտանի սոնոէլեկտրոդը և ածխածնային էլեկտրոդը իներտ են: Էլեկտրոլիզը տեղի կունենա միայն այն ժամանակ, երբ էլեկտրաէներգիան անցնի նոսր ծծմբաթթվի լուծույթով: Հետեւաբար, ածխածնի անոդը և տիտանի կաթոդը միացված են մշտական լարման էլեկտրամատակարարմանը (ուղղակի հոսանք):
Ջրածինը և թթվածնային գազը, որոնք արտադրվում են նոսր ծծմբաթթվի էլեկտրոլիզում, հավաքվում են յուրաքանչյուր էլեկտրոդի վերևում գտնվող աստիճանավոր արտաքին խողովակներում: Գազի ծավալը տեղահանում է էլեկտրոլիտը արտաքին խողովակներում, և լրացուցիչ գազի ծավալը կարող է չափվել: Գազի ծավալի տեսական հարաբերակցությունը 2:1 է։ Էլեկտրոլիզի ընթացքում էլեկտրոլիտից հեռացվում է միայն ջուրը՝ որպես ջրածնային գազ և թթվածին գազ։ Այսպիսով, էլեկտրոլիզի ընթացքում նոսր ծծմբաթթվի կոնցենտրացիան մի փոքր բարձրանում է:
Ստորև բերված տեսանյութը ցույց է տալիս նոսր ծծմբաթթվի սոնոէլեկտրոլիզը իմպուլսային ուլտրաձայնային եղանակով (100% ամպլիտուդ, ցիկլային ռեժիմ, 0,2 վայրկյան միացված, 0,8 վայրկյան անջատում): Երկու փորձարկումներն էլ իրականացվել են 2.1 Վ լարման վրա (DC, մշտական լարում):
Սոնոէլեկտրոլիզի կարգավորում 2 – Պարզ խմբաքանակ
Ապակե անոթը լցված է նոսր ծծմբաթթվի էլեկտրոլիտով (H2SO4, 1.0M): Այս պարզ էլեկտրոլիտիկ խցում էլեկտրոդները ընկղմվում են թթվացված ջրի լուծույթի մեջ: Դրական անոդային էլեկտրոդը պատրաստված է ածխածնից (8 մմ): Բացասական կաթոդը տիտանի ուլտրաձայնային սոնոէլեկտրոդ է (10 մմ, MS10, Hielscher UP100H, 100 վտ, 30 կՀց): Էլեկտրոլիզը տեղի կունենա միայն այն ժամանակ, երբ էլեկտրաէներգիան անցնի նոսր ծծմբաթթվի լուծույթով: Հետեւաբար, ածխածնի անոդը և տիտանի կաթոդը միացված են մշտական լարման էլեկտրամատակարարմանը (ուղղակի հոսանք): Տիտանի էլեկտրոդը և ածխածնային էլեկտրոդը իներտ են: Ջրածինը և թթվածնային գազը, որոնք առաջանում են նոսր ծծմբական թթվի էլեկտրոլիզի ժամանակ, չեն հավաքվում այս կարգավորմամբ: Ստորև բերված տեսանյութը ցույց է տալիս այս շատ պարզ կարգավորումը շահագործման մեջ:
Ինչ է տեղի ունենում էլեկտրոլիզի ժամանակ:
Ջրածնի իոնները ձգվում են դեպի բացասական կաթոդ: Այնտեղ ջրածնի իոնը կամ ջրի մոլեկուլները վերածվում են ջրածնի գազի մոլեկուլների՝ էլեկտրոնի ավելացումով։ Արդյունքում ջրածնի գազի մոլեկուլները արտանետվում են որպես ջրածնի գազ: Շատ ռեակտիվ մետաղների աղերի կամ թթվային լուծույթների էլեկտրոլիզից ստացվում է ջրածին բացասական կաթոդի էլեկտրոդում:
Բացասական սուլֆատ իոնները կամ հիդրօքսիդի իոնների հետքերը ձգվում են դեպի դրական անոդ։ Սուլֆատի իոնն ինքնին չափազանց կայուն է, այնպես որ ոչինչ չի պատահում: Հիդրօքսիդի իոնները կամ ջրի մոլեկուլները լիցքաթափվում և օքսիդանում են անոդում՝ առաջացնելով թթվածին։ Այս դրական անոդային ռեակցիան էլեկտրոնի կորստով օքսիդացման էլեկտրոդի ռեակցիա է:
Ինչու՞ ենք մենք օգտագործում նոսր ծծմբաթթու:
Ջուրը պարունակում է միայն ջրածնի իոնների և հիդրօքսիդի իոնների փոքր կոնցենտրացիաներ: Սա սահմանափակում է էլեկտրական հաղորդունակությունը: Ջրածնի իոնների և սուլֆատի իոնների բարձր կոնցենտրացիաները նոսր ծծմբաթթվից բարելավում են էլեկտրոլիտի էլեկտրական հաղորդունակությունը: Որպես այլընտրանք, դուք կարող եք օգտագործել ալկալային էլեկտրոլիտի լուծույթ, ինչպիսիք են կալիումի հիդրօքսիդը (KOH) կամ նատրիումի հիդրօքսիդը (NAOH) և ջուրը: Աղերի կամ ծծմբաթթվի բազմաթիվ լուծույթների էլեկտրոլիզից առաջանում է ջրածին բացասական կաթոդում, իսկ թթվածինը դրական անոդում։ Աղաթթվի կամ քլորիդային աղերի էլեկտրոլիզից քլոր է ստացվում անոդում։
Ի՞նչ է էլեկտրոլիզատորը:
Էլեկտրոլիզատորը սարք է, որը ջուրը բաժանում է ջրածնի և թթվածնի մի գործընթացում, որը հայտնի է որպես էլեկտրոլիզ: Էլեկտրալիզատորն օգտագործում է էլեկտրականություն՝ ջրածնային գազ և թթվածին գազ արտադրելու համար։ Ջրածինը կարող է պահվել որպես սեղմված կամ հեղուկացված գազ: Ջրածինը էներգիայի կրիչ է մեքենաների, գնացքների, ավտոբուսների կամ բեռնատարների ջրածնի վառելիքի բջիջներում օգտագործման համար:
Հիմնական էլեկտրոլիզատորը պարունակում է կաթոդ (բացասական լիցք) և անոդ (դրական լիցք) և ծայրամասային բաղադրիչներ, ինչպիսիք են պոմպերը, օդափոխիչները, պահեստավորման տանկերը, սնուցման աղբյուրը, բաժանարարը և այլ բաղադրիչներ: Ջրի էլեկտրոլիզը էլեկտրաքիմիական ռեակցիա է, որը տեղի է ունենում էլեկտրոլիզատորի ներսում: Անոդը և կաթոդը սնուցվում են ուղիղ հոսանքով, և ջուրը (H20) բաժանվում է իր բաղադրիչների՝ ջրածնի (H2) և թթվածնի (O2):
Գրականություն / Հղումներ
- 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.