Produzione sonoelettrolitica di idrogeno da acido solforico diluito
L'elettrolisi dell'acido solforico diluito produce idrogeno e ossigeno. Gli ultrasuoni riducono lo spessore dello strato di diffusione sulla superficie dell'elettrodo e migliorano il trasferimento di massa durante l'elettrolisi. Gli ultrasuoni possono aumentare significativamente i tassi di produzione di idrogeno gassoso nella cella elettrolitica.
Di seguito sono descritte due configurazioni sperimentali con un anodo di carbonio e un catodo di titanio. Per dimostrare gli effetti positivi degli ultrasuoni sull'elettrolisi, il catodo di titanio è un sonoelettrodo. Questo aggiunge vibrazioni ultrasoniche e cavitazione alla produzione elettrolitica di idrogeno e ossigeno da acido solforico diluito. La combinazione di ultrasuoni ed elettricità è utilizzata nella sonoelettrochimica, nella sonoelettrolisi e nella sonoelettrosintesi.
L'omogeneizzatore a ultrasuoni UP100H di Hielscher (100 watt, 30 kHz) è dotato di un upgrade sonoelettrochimico. Ciò consente di utilizzare il sonotrodo come catodo o anodo in un processo elettrolitico. Per le configurazioni sonoelettrolitiche industriali, fare clic qui!
Setup sonoelettrolitico 1 – Cellula indivisa di tipo H
L'impianto utilizza acido solforico diluito (H2SO4, 1,0M). Una cella indivisa di tipo H viene riempita con l'elettrolita. Questa cella è nota come Voltametro di Hofmann. È costituita da tre cilindri di vetro verticali uniti. Il cilindro interno è aperto in alto per consentire il riempimento con l'elettrolita. L'apertura delle valvole in cima ai tubi esterni consente la fuoriuscita di eventuali gas durante il riempimento. Nella cella elettrolitica, gli elettrodi sono sigillati da anelli di gomma e immersi a testa in giù nella soluzione di acqua acidificata. L'elettrodo anodico positivo è in carbonio (8 mm). Il catodo negativo è un sonoelettrodo a ultrasuoni in titanio (10 mm, sonotrodo speciale ad alta superficie, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Il sonoelettrodo di titanio e l'elettrodo di carbonio sono inerti. L'elettrolisi avviene solo quando l'elettricità passa attraverso la soluzione diluita di acido solforico. Pertanto, l'anodo di carbonio e il catodo di titanio sono collegati a un alimentatore a tensione costante (corrente continua).
L'idrogeno gassoso e l'ossigeno gassoso prodotti nell'elettrolisi dell'acido solforico diluito vengono raccolti nei tubi esterni graduati sopra ciascun elettrodo. Il volume del gas sposta l'elettrolita nei tubi esterni e il volume del gas aggiuntivo può essere misurato. Il rapporto teorico del volume di gas è di 2:1. Durante l'elettrolisi, solo l'acqua viene rimossa dall'elettrolita sotto forma di idrogeno e ossigeno. Pertanto, la concentrazione dell'acido solforico diluito aumenta leggermente durante l'elettrolisi.
Il video seguente mostra la sonoelettrolisi dell'acido solforico diluito utilizzando gli ultrasuoni pulsati (ampiezza 100%, modalità ciclo, 0,2 secondi di accensione, 0,8 secondi di spegnimento). Entrambi i test sono stati eseguiti a 2,1 V (CC, tensione costante).
Setup sonoelettrolitico 2 – Lotto semplice
Un recipiente di vetro è riempito con un elettrolita di acido solforico diluito (H2SO4, 1,0M). In questa semplice cella elettrolitica, gli elettrodi sono immersi in una soluzione di acqua acidificata. L'elettrodo anodico positivo è fatto di carbonio (8 mm). Il catodo negativo è un sonoelettrodo a ultrasuoni in titanio (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). L'elettrolisi avviene solo quando l'elettricità passa attraverso la soluzione diluita di acido solforico. Pertanto, l'anodo di carbonio e il catodo di titanio sono collegati a un alimentatore a tensione costante (corrente continua). L'elettrodo di titanio e l'elettrodo di carbonio sono inerti. L'idrogeno e l'ossigeno prodotti nell'elettrolisi dell'acido solforico diluito non vengono raccolti in questa configurazione. Il video qui sotto mostra questa semplicissima configurazione in funzione.
Cosa succede durante l'elettrolisi?
Gli ioni di idrogeno sono attratti dal catodo negativo. Qui, gli ioni idrogeno o le molecole d'acqua vengono ridotti a molecole di idrogeno gassoso grazie a un guadagno di elettroni. Di conseguenza, le molecole di idrogeno gassoso vengono scaricate come idrogeno gassoso. L'elettrolisi di molti sali metallici reattivi o soluzioni acide produce idrogeno all'elettrodo catodico negativo.
Gli ioni solfato negativi o le tracce di ioni idrossido sono attratti dall'anodo positivo. Lo ione solfato di per sé è troppo stabile, quindi non succede nulla. Gli ioni idrossido o le molecole d'acqua vengono scaricati e ossidati all'anodo per formare ossigeno. Questa reazione all'anodo positivo è una reazione di ossidazione dell'elettrodo con perdita di elettroni.
Perché si usa l'acido solforico diluito?
L'acqua contiene solo minime concentrazioni di ioni idrogeno e idrossido. Questo limita la conducibilità elettrica. Le alte concentrazioni di ioni idrogeno e ioni solfato dell'acido solforico diluito migliorano la conducibilità elettrica dell'elettrolita. In alternativa, è possibile utilizzare una soluzione elettrolitica alcalina, come l'idrossido di potassio (KOH) o l'idrossido di sodio (NAOH), e acqua. L'elettrolisi di molte soluzioni di sali o di acido solforico produce idrogeno al catodo negativo e ossigeno all'anodo positivo. L'elettrolisi dell'acido cloridrico o dei sali di cloruro produce cloro all'anodo.
Che cos'è un elettrolizzatore?
Un elettrolizzatore è un dispositivo che separa l'acqua in idrogeno e ossigeno in un processo noto come elettrolisi. L'elettrolizzatore utilizza l'elettricità per produrre idrogeno gassoso e ossigeno gassoso. L'idrogeno gassoso può essere immagazzinato come gas compresso o liquefatto. L'idrogeno è un vettore energetico da utilizzare nelle celle a combustibile a idrogeno di automobili, treni, autobus o camion.
Un elettrolizzatore di base contiene un catodo (carica negativa) e un anodo (carica positiva) e componenti periferici, come pompe, sfiati, serbatoi di stoccaggio, un alimentatore, un separatore e altri componenti. L'elettrolisi dell'acqua è una reazione elettrochimica che avviene all'interno dell'elettrolizzatore. L'anodo e il catodo sono alimentati da una corrente continua e l'acqua (H20) viene scissa nei suoi componenti idrogeno (H2) e ossigeno (O2).
Letteratura / Riferimenti
- 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.