Produzione sonoelettrolitica di idrogeno da acido solforico diluito

L'elettrolisi dell'acido solforico diluito produce idrogeno gassoso e ossigeno gassoso. L'ultrasuonizzazione riduce lo spessore dello strato di diffusione sulla superficie dell'elettrodo e migliora il trasferimento di massa durante l'elettrolisi. L'ultrasuonazione può aumentare significativamente i tassi di produzione di gas idrogeno nella cella elettrolitica.

Due setup sperimentali con un anodo di carbonio e un catodo di titanio sono descritti di seguito. 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 degli ultrasuoni con l'elettricità è usata nella sonoelettrochimica, nella sonoelettrolisi e nella sonoelettrosintesi.
L'omogeneizzatore a ultrasuoni UP100H della Hielscher (100 watt, 30kHz) è dotato di un upgrade sonoelettrochimico. Questo permette di utilizzare il sonotrodo come catodo o anodo in un processo elettrolitico. Per i setup industriali sonoelettrolitici, clicca qui!

Show an ultrasonic titanium probe as a sonoelectrolytic cathode in hydrogen production from dilute sulfuric acid.

Catodo sonoelettrico su processore a ultrasuoni UP100H

Setup di Sonoelettrolisi 1 – Cella indivisa di tipo H

La configurazione utilizza acido solforico diluito (H2SO4, 1.0M). Una cella indivisa di tipo H è riempita con l'elettrolita. Questa cella è conosciuta come Voltametro di Hofmann. Ha tre cilindri di vetro verticali uniti. Il cilindro interno è aperto in alto per permettere il riempimento con l'elettrolita. L'apertura delle valvole in cima ai tubi esterni permette a qualsiasi gas di uscire 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 fatto di carbonio (8mm). Il catodo negativo è un sonoelettrodo ultrasonico in titanio (10mm, 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'alimentazione a tensione costante (corrente continua).
Il gas idrogeno e il gas ossigeno prodotti nell'elettrolisi dell'acido solforico diluito sono raccolti nei tubi esterni graduati sopra ogni 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 del gas è 2:1. Durante l'elettrolisi, solo l'acqua viene rimossa dall'elettrolita come gas idrogeno e gas ossigeno. Quindi, la concentrazione dell'acido solforico diluito aumenta leggermente durante l'elettrolisi.
Il video qui sotto mostra la sonoelettrolisi dell'acido solforico diluito usando ultrasuoni pulsati (100% di ampiezza, modalità ciclo, 0,2 secondi on, 0,8 secondi off). Entrambi i test sono stati eseguiti a 2,1 V (DC, tensione costante).

Questo video mostra la produzione sonoelettrolitica di idrogeno in un Voltametro Hofmann

Produzione sonoelettrolitica di idrogeno nel Voltametro Hofmann

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Setup di Sonoelettrolisi 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 (8mm). Il catodo negativo è un sonoelettrodo ultrasonico in titanio (10mm, 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 un catodo di titanio sono collegati a un'alimentazione a tensione costante (corrente continua). L'elettrodo di titanio e l'elettrodo di carbonio sono inerti. Il gas idrogeno e il gas ossigeno prodotti nell'elettrolisi dell'acido solforico diluito non vengono raccolti in questa configurazione. Il video qui sotto mostra questo setup molto semplice in funzione.

Questo video mostra la sonoelettrolisi dell'acqua per produrre idrogeno e ossigeno

Sonoelettrolisi dell'acqua a idrogeno e ossigeno

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Cosa succede durante l'elettrolisi?

Gli ioni di idrogeno sono attratti verso il catodo negativo. Lì, gli ioni idrogeno o le molecole d'acqua sono ridotti a molecole di gas idrogeno da un guadagno di elettroni. Come risultato, le molecole di gas idrogeno vengono scaricate come gas idrogeno. 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 stesso ione solfato è troppo stabile, per cui non succede nulla. Gli ioni idrossido o le molecole di acqua vengono scaricati e ossidati all'anodo per formare ossigeno. Questa reazione all'anodo positivo è una reazione di ossidazione elettrodica per perdita di elettroni.

Perché usiamo l'acido solforico diluito?

L'acqua contiene solo minime concentrazioni di ioni idrogeno e ioni idrossido. Questo limita la conducibilità elettrica. Alte concentrazioni di ioni idrogeno e ioni solfato dall'acido solforico diluito migliorano la conducibilità elettrica dell'elettrolita. In alternativa, si può usare una soluzione elettrolitica alcalina come 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.

Cos'è un elettrolizzatore?

Un elettrolizzatore è un dispositivo per separare l'acqua in idrogeno e ossigeno in un processo noto come elettrolisi. L'elettrolizzatore usa 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 di energia da usare nelle celle a combustibile a idrogeno in 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 / Referenze