Ջրածնի սոնոէլեկտրոլիտիկ արտադրությունը նոսր ծծմբական թթվից
Նոսր ծծմբական թթվի էլեկտրոլիզի արդյունքում առաջանում են գազային ջրածին և գազային թթվածին։ Ուլտրաձայնային մշակումը նվազեցնում է էլեկտրոդի մակերևույթի դիֆուզիոն շերտի հաստությունը և բարելավում զանգվածափոխանակությունը էլեկտրոլիզի ընթացքում։ Ուլտրաձայնային մշակումը կարող է զգալիորեն բարձրացնել էլեկտրոլիտային բջջում գազային ջրածնի արտադրության արագությունը։
Ստորև նկարագրված են ածխածնային անոդով և տիտանե կաթոդով երկու փորձարարական կայանքներ։ Էլեկտրոլիզի վրա ուլտրաձայնային մշակման դրական ազդեցությունները ցուցադրելու համար որպես տիտանե կաթոդ օգտագործվում է սոնոէլեկտրոդ։ Սա նոսր ծծմբական թթվից ջրածնի և թթվածնի էլեկտրոլիտիկ արտադրությանը ավելացնում է ուլտրաձայնային տատանումներ և կավիտացիա։ Ուլտրաձայնի և էլեկտրականության համակցությունն օգտագործվում է սոնոէլեկտրաքիմիայում, սոնոէլեկտրոլիզում և սոնոէլեկտրասինթեզում։
Hielscher ընկերության UP100H ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորը (100 վատտ, 30kHz) հագեցած է սոնոէլեկտրաքիմիական արդիականացման համալրակազմով։ Սա թույլ է տալիս սոնոտրոդն օգտագործել որպես կաթոդ կամ անոդ էլեկտրոլիտիկ գործընթացում։ Արդյունաբերական սոնոէլեկտրոլիտիկ կայանքների մասին տեղեկությունների համար սեղմեք այստեղ։
Սոնոէլեկտրական կաթոդ՝ UP100H ուլտրաձայնային պրոցեսորի վրա
Սոնոէլեկտրոլիզի կայանք 1 – H տիպի չբաժանված բջիջ
Կայանքում օգտագործվում է նոսր ծծմբական թթու (H2SO4, 1,0M)։ H տիպի չբաժանված բջիջը լցվում է էլեկտրոլիտով։ Այս բջիջը հայտնի է որպես Հոֆմանի վոլտամետր։ Այն ունի միմյանց միացված երեք ուղղաձիգ ապակե գլան։ Ներքին գլանը վերևից բաց է՝ էլեկտրոլիտով լցնելու համար։ Արտաքին խողովակների վերևի փականները բացելը թույլ է տալիս, որ լցման ընթացքում ցանկացած գազ դուրս գա։ Էլեկտրոլիտային բջջում էլեկտրոդները հերմետիկացվում են ռետինե օղակներով և գլխիվայր ընկղմվում թթվեցված ջրի լուծույթի մեջ։ Դրական անոդային էլեկտրոդը պատրաստված է ածխածնից (8mm)։ Բացասական կաթոդը տիտանե ուլտրաձայնային սոնոէլեկտրոդ է (10mm, մակերևույթի մեծ մակերեսով հատուկ սոնոտրոդ, Hielscher UP100H, 100 վատտ, 30kHz)։ Տիտանե սոնոէլեկտրոդը և ածխածնային էլեկտրոդն իներտ են։ Էլեկտրոլիզը տեղի կունենա միայն այն ժամանակ, երբ նոսր ծծմբական թթվի լուծույթով էլեկտրական հոսանք անցկացվի։ Ուստի ածխածնային անոդը և տիտանե կաթոդը միացվում են հաստատուն լարման սնուցման աղբյուրին (հաստատուն հոսանք)։
Նոսր ծծմբական թթվի էլեկտրոլիզի ընթացքում առաջացող գազային ջրածինը և գազային թթվածինը հավաքվում են յուրաքանչյուր էլեկտրոդի վերևում գտնվող աստիճանավորված արտաքին խողովակներում։ Գազի ծավալը դուրս է մղում էլեկտրոլիտն արտաքին խողովակներից, և լրացուցիչ գազի ծավալը կարելի է չափել։ Գազերի ծավալների տեսական հարաբերակցությունը 2:1 է։ Էլեկտրոլիզի ընթացքում էլեկտրոլիտից հեռացվում է միայն ջուրը՝ գազային ջրածնի և գազային թթվածնի տեսքով։ Հետևաբար, էլեկտրոլիզի ընթացքում նոսր ծծմբական թթվի կոնցենտրացիան փոքր-ինչ բարձրանում է։
Ստորև բերված տեսանյութը ցույց է տալիս նոսր ծծմբական թթվի սոնոէլեկտրոլիզը՝ իմպուլսային ուլտրաձայնային մշակմամբ (100% ամպլիտուդ, ցիկլային ռեժիմ, 0,2 վայրկյան միացված, 0,8 վայրկյան անջատված)։ Երկու փորձերն էլ իրականացվել են 2,1V լարման պայմաններում (հաստատուն հոսանք, հաստատուն լարում)։
Սոնոէլեկտրոլիզի կայանք 2 – Պարզ պարբերական մշակում
Ապակե անոթը լցվում է նոսր ծծմբական թթվից կազմված էլեկտրոլիտով (H2SO4, 1,0M)։ Այս պարզ էլեկտրոլիտային բջջում էլեկտրոդներն ընկղմվում են թթվեցված ջրի լուծույթի մեջ։ Դրական անոդային էլեկտրոդը պատրաստված է ածխածնից (8mm)։ Բացասական կաթոդը տիտանե ուլտրաձայնային սոնոէլեկտրոդ է (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 վատտ, 30kHz)։ Էլեկտրոլիզը տեղի կունենա միայն այն ժամանակ, երբ նոսր ծծմբական թթվի լուծույթով էլեկտրական հոսանք անցկացվի։ Ուստի ածխածնային անոդը և տիտանե կաթոդը միացվում են հաստատուն լարման սնուցման աղբյուրին (հաստատուն հոսանք)։ Տիտանե էլեկտրոդը և ածխածնային էլեկտրոդն իներտ են։ Նոսր ծծմբական թթվի էլեկտրոլիզի ընթացքում առաջացող գազային ջրածինը և գազային թթվածինն այս կայանքում չեն հավաքվում։ Ստորև բերված տեսանյութը ցույց է տալիս այս շատ պարզ կայանքի աշխատանքը։
Ի՞նչ է տեղի ունենում էլեկտրոլիզի ընթացքում։
Ջրածնի իոնները ձգվում են դեպի բացասական կաթոդը։ Այնտեղ ջրածնի իոնը կամ ջրի մոլեկուլները, էլեկտրոն ստանալով, վերականգնվում են՝ վերածվելով գազային ջրածնի մոլեկուլների։ Արդյունքում գազային ջրածնի մոլեկուլներն արտազատվում են որպես գազային ջրածին։ Բազմաթիվ ակտիվ մետաղների աղերի կամ թթուների լուծույթների էլեկտրոլիզի արդյունքում բացասական կաթոդային էլեկտրոդի վրա առաջանում է ջրածին։
Բացասական սուլֆատ իոնները կամ հետքային քանակներով առկա հիդրօքսիդ իոնները ձգվում են դեպի դրական անոդը։ Սուլֆատ իոնն ինքնին չափազանց կայուն է, ուստի ոչինչ տեղի չի ունենում։ Հիդրօքսիդ իոնները կամ ջրի մոլեկուլները լիցքաթափվում և օքսիդանում են անոդի վրա՝ առաջացնելով թթվածին։ Դրական անոդի վրա ընթացող այս ռեակցիան էլեկտրոնի կորստով ուղեկցվող օքսիդացման էլեկտրոդային ռեակցիա է։
Ինչո՞ւ ենք օգտագործում նոսր ծծմբական թթու։
Ջուրը պարունակում է ջրածնի իոններ և հիդրօքսիդ իոններ միայն չնչին կոնցենտրացիաներով։ Սա սահմանափակում է էլեկտրահաղորդականությունը։ Նոսր ծծմբական թթվից ստացվող ջրածնի իոնների և սուլֆատ իոնների բարձր կոնցենտրացիաները բարելավում են էլեկտրոլիտի էլեկտրահաղորդականությունը։ Որպես այլընտրանք՝ կարող եք օգտագործել ալկալային էլեկտրոլիտի լուծույթ, օրինակ՝ կալիումի հիդրօքսիդ (KOH) կամ նատրիումի հիդրօքսիդ (NAOH), և ջուր։ Աղերի բազմաթիվ լուծույթների կամ ծծմբական թթվի էլեկտրոլիզի արդյունքում բացասական կաթոդի վրա առաջանում է ջրածին, իսկ դրական անոդի վրա՝ թթվածին։ Աղաթթվի կամ քլորիդային աղերի էլեկտրոլիզի արդյունքում անոդի վրա առաջանում է քլոր։
Ի՞նչ է էլեկտրոլիզատորը։
Էլեկտրոլիզատորը սարք է, որը ջուրը տրոհում է ջրածնի և թթվածնի՝ էլեկտրոլիզ կոչվող գործընթացի միջոցով։ Էլեկտրոլիզատորն օգտագործում է էլեկտրականություն՝ գազային ջրածին և գազային թթվածին արտադրելու համար։ Գազային ջրածինը կարելի է պահել որպես սեղմված կամ հեղուկացված գազ։ Ջրածինն էներգակիր է, որն օգտագործվում է ավտոմեքենաների, գնացքների, ավտոբուսների կամ բեռնատարների ջրածնային վառելիքային բջիջներում։
Հիմնական կառուցվածքով էլեկտրոլիզատորը պարունակում է կաթոդ (բացասական լիցք), անոդ (դրական լիցք) և օժանդակ բաղադրիչներ, օրինակ՝ պոմպեր, օդանցքեր, պահեստավորման բաքեր, սնուցման աղբյուր, բաժանիչ և այլ բաղադրիչներ։ Ջրի էլեկտրոլիզն էլեկտրաքիմիական ռեակցիա է, որը տեղի է ունենում էլեկտրոլիզատորի ներսում։ Անոդին և կաթոդին մատակարարվում է հաստատուն հոսանք, և ջուրը (H20) տրոհվում 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.