Produzione sonoeletrolitica di idrogeno da acido solforico diluito

L’elettrolisi dell’acido solforico diluito produce idrogeno gassoso e ossigeno gassoso. La sonicazione riduce lo spessore dello strato di diffusione sulla superficie dell’elettrodo e migliora il trasferimento di massa durante l’elettrolisi. La sonicazione può aumentare significativamente la velocità di produzione di idrogeno gassoso nella cella elettrolitica.

Di seguito sono descritte due configurazioni sperimentali con un anodo in carbonio e un catodo in titanio. Per dimostrare gli effetti positivi della sonicazione sull’elettrolisi, il catodo in 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 viene utilizzata nella sonoelettrochimica, nella sonoelettrolisi e nella sonoelettrosintesi.
L’omogeneizzatore a ultrasuoni Hielscher UP100H (100 watt, 30kHz) è dotato di un aggiornamento per applicazioni sonoelettrochimiche. Questo consente di utilizzare il sonotrodo come catodo o anodo in un processo elettrolitico. Per le configurazioni sonoeletrolitiche industriali, fate clic qui!

Configurazione di sonoelettrolisi 1 – Cella indivisa di tipo H

La configurazione 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 collegati tra loro. Il cilindro interno è aperto nella parte superiore per consentire il riempimento con l’elettrolita. L’apertura delle valvole nella parte superiore dei tubi esterni consente la fuoriuscita di qualsiasi gas durante il riempimento. Nella cella elettrolitica, la tenuta degli elettrodi è assicurata da anelli di gomma e gli elettrodi sono immersi capovolti nella soluzione di acqua acidificata. L’elettrodo anodico positivo è in carbonio (8mm). Il catodo negativo è un sonoelettrodo a ultrasuoni in titanio (10mm, sonotrodo speciale con elevata area superficiale, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Il sonoelettrodo in titanio e l’elettrodo in carbonio sono inerti. L’elettrolisi avviene solo quando la corrente elettrica attraversa la soluzione di acido solforico diluito. Pertanto, l’anodo in carbonio e un catodo in titanio sono collegati a un alimentatore a tensione costante (corrente continua).
L’idrogeno gassoso e l’ossigeno gassoso prodotti durante l’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 tra i volumi dei gas è 2:1. Durante l’elettrolisi, dall’elettrolita viene rimossa solo acqua sotto forma di idrogeno gassoso e ossigeno gassoso. Di conseguenza, la concentrazione dell’acido solforico diluito aumenta leggermente durante l’elettrolisi.
Il video seguente mostra la sonoelettrolisi dell’acido solforico diluito mediante sonicazione pulsata (ampiezza del 100%, modalità ciclica, 0,2 secondi di attivazione, 0,8 secondi di disattivazione). Entrambe le prove sono state eseguite a 2,1V (corrente continua, tensione costante).

Questo video illustra l’effetto positivo della sonicazione diretta dell’elettrodo sulla corrente elettrica in un sistema elettrolitico con cella a H. Viene utilizzato un omogeneizzatore a ultrasuoni Hielscher UP100H (100 watt, 30kHz) con un modulo per applicazioni elettrochimiche e un elettrodo/sonotrodo in titanio. L’elettrolisi dell’acido solforico diluito produce idrogeno e ossigeno gassosi. La sonicazione riduce lo spessore dello strato di diffusione sulla superficie dell’elettrodo e migliora il trasferimento di massa durante l’elettrolisi. La sonicazione può aumentare significativamente la velocità di produzione dell’idrogeno gassoso nella cella elettrolitica.

Configurazione di sonoelettrolisi 2 – Semplice processo discontinuo

Un recipiente di vetro viene riempito con un elettrolita costituito da 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 in carbonio (8mm). Il catodo negativo è un sonoelettrodo a ultrasuoni in titanio (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). L’elettrolisi avviene solo quando la corrente elettrica attraversa la soluzione di acido solforico diluito. Pertanto, l’anodo in carbonio e un catodo in titanio sono collegati a un alimentatore a tensione costante (corrente continua). L’elettrodo in titanio e l’elettrodo in carbonio sono inerti. In questa configurazione, l’idrogeno gassoso e l’ossigeno gassoso prodotti durante l’elettrolisi dell’acido solforico diluito non vengono raccolti. Il video seguente mostra questa configurazione molto semplice in funzione.

Questo video illustra l’effetto positivo della sonicazione diretta dell’elettrodo sulla corrente elettrica. Viene utilizzato un omogeneizzatore a ultrasuoni Hielscher UP100H (100 watt, 30kHz) con un modulo per applicazioni elettrochimiche e un elettrodo/sonotrodo in titanio. L’elettrolisi dell’acido solforico diluito produce idrogeno e ossigeno gassosi. La sonicazione riduce lo spessore dello strato di diffusione sulla superficie dell’elettrodo e migliora il trasferimento di massa durante l’elettrolisi. La sonicazione può aumentare significativamente la velocità di produzione dell’idrogeno gassoso nella cella elettrolitica.

Che cosa accade durante l’elettrolisi?

Gli ioni idrogeno sono attratti dal catodo negativo. Qui, gli ioni idrogeno o le molecole d’acqua vengono ridotti a molecole di idrogeno gassoso mediante acquisizione di elettroni. Di conseguenza, le molecole di idrogeno gassoso vengono liberate sotto forma di idrogeno gassoso. L’elettrolisi di molti sali di metalli reattivi o di soluzioni acide produce idrogeno sull’elettrodo catodico negativo.
Gli ioni solfato negativi o le tracce di ioni idrossido sono attratti dall’anodo positivo. Lo ione solfato stesso è troppo stabile, per cui non avviene alcuna reazione. 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 elettrodica di ossidazione che avviene mediante perdita di elettroni.

Perché utilizziamo acido solforico diluito?

L’acqua contiene solo concentrazioni minime di ioni idrogeno e ioni idrossido. Questo limita la conducibilità elettrica. Le elevate concentrazioni di ioni idrogeno e ioni solfato provenienti dall’acido solforico diluito migliorano la conducibilità elettrica dell’elettrolita. In alternativa, è possibile utilizzare una soluzione elettrolitica alcalina, ad esempio idrossido di potassio (KOH) o 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 mediante un processo noto come elettrolisi. L’elettrolizzatore utilizza 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 utilizzabile nelle celle a combustibile a idrogeno di automobili, treni, autobus o camion.
Un elettrolizzatore di base comprende un catodo (carica negativa), un anodo (carica positiva) e componenti periferici, quali 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 corrente continua e l’acqua (H20) viene scissa nei suoi componenti, idrogeno (H2) e ossigeno (O2).

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Letteratura / Riferimenti bibliografici

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.