希硫酸からのソノ電解水素生産

希硫酸の電解は水素ガスと酸素ガスを生成します。超音波は、電極表面での拡散層の厚さを減少させ、電気分解中の物質移動を改善します。超音波処理は、電解槽の水素ガスの生産率を大幅に増加させることができます。

炭素陽極とチタン陰極を用いた2つの実験セットアップを以下に説明する。電気分解に対する超音波のプラスの効果を実証するために、チタン陰極はソノ電極である。これは希硫酸からの水素および酸素の電解製造に超音波振動およびキャビテーションを加える。超音波と電気の組み合わせは、ソノ電気化学、ソノ電気分解およびソノ電気合成に使用されます。
ヒールシャー超音波ホモジナイザーUP100H(100ワット、30kHz)は、ソノ電気化学アップグレードが装備されています。これは、電解プロセスで陰極またはアノードとしてソノトロードを使用することができます。 産業用ソノ電解のセットアップについては、こちらをクリックしてください!

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

UP100H超音波プロセッサ上のソノエレクトリックカソード

ソノ電解のセットアップ 1 – H型未分割セル

このセットアップでは希硫酸(H2SO4、1.0M)を使用しています。H型未分割セルは電解質で満たされる。この細胞はホフマン・ヴォルタメータとして知られています。それは3つの接合直立ガラスシリンダーを持っています。内部シリンダーは電解質で満たされるように上部に開いている。外管の上部にバルブを開くと、充填中にガスが逃げ出します。電解槽では、電極はゴムリングで密封され、酸性水の溶液に逆さまに浸漬されます。正極電極はカーボン(8mm)で作られています。負の陰極は、チタン超音波ソノ電極(10mm、特殊高表面積ソノトロード、ヒールシャーUP100H、100ワット、30kHz)です。チタンソノ電極とカーボン電極は不活性である。電気分解は、希硫酸溶液を通じて電気が通過した場合にのみ行われます。そのため、炭素陽極とチタンカソードは定電圧電源(直流)に接続されている。
希硫酸の電気分解で発生する水素ガスと酸素ガスは、各電極の上の卒業した外管に集められる。ガス容積は外管の電解質を置き換え、そして追加のガスの容積を測定することができる。ガス容積の理論比は2:1です。電解の間、水のみが水素ガスと酸素ガスとして電解液から除去される。したがって、希硫酸の濃度は、電気分解中にわずかに上昇します。
下のビデオは、パルス超音波(100%振幅、サイクルモード、0.2秒、0.8秒オフ)を使用して希硫酸のソノ電分解を示しています。どちらのテストも2.1V(DC、定電圧)で実行されました。

このビデオは、ホフマン電圧計における水素のソノ電分解生成を示しています

ホフマン・ヴォルタメータにおけるソノ電解水素製造

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ソノ電解セットアップ2 – シンプルなバッチ

ガラス容器は希硫酸(H2SO4、1.0M)の電解質で満たされています。この単純な電解槽では、電極は酸性水の溶液に浸漬される。正極電極はカーボン(8mm)で作られています。負の陰極は、チタン超音波ソノ電極(10mm、MS10、ヒールシャーUP100H、100ワット、30kHz)です。電気分解は、希硫酸溶液を通じて電気が通過した場合にのみ行われます。そのため、炭素陽極とチタンカソードは定電圧電源(直流)に接続されている。チタン電極とカーボン電極は不活性である。希硫酸の電気分解で発生する水素ガスと酸素ガスは、この設定では回収されない。以下のビデオは、動作中のこの非常に簡単なセットアップを示しています。

このビデオは、水素と酸素を生成するための水のソノ電分解を示しています

水素と酸素に対する水のソノ電分解

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電気分解中に何が起こるか?

水素イオンは陰極に引き付けられる。そこでは、水素イオンや水分子が電子利得によって水素ガス分子に還元される。その結果、水素ガス分子が水素ガスとして排出される。多くの反応性金属塩または酸溶液の電解は、負の陰極電極で水素を生成する。
負の硫酸イオンや水酸化物イオンの微量は、正の陽極に引き付けられます。硫酸イオン自体は安定しすぎて、何も起こらない。水酸化物イオンまたは水分子は、酸素を形成するために、アノードで排出および酸化されます。この正極反応は、電子損失による酸化電極反応である。

希硫酸を使用する理由

水には、水素イオンと水酸化物イオンの微量濃度のみが含まれています。これは、電気伝導性を制限します。希硫酸から高濃度の水素イオンと硫酸イオンは、電解質の電気伝導性を向上させます。また、水酸化カリウム(KOH)や水酸化ナトリウム(NAOH)、水などのアルカリ性電解質溶液を使用することもできます。塩や硫酸の多くの溶液の電解は、負の陰極で水素を生成し、陽極で酸素を生成します。塩酸または塩化物塩の電解は、陽極で塩素を生成します。

電解槽とは何ですか?

電解槽は、電気分解と呼ばれるプロセスで水を水素と酸素に分離する装置です。電気を使って水素ガスと酸素ガスを作り出します。水素ガスは圧縮ガスまたは液化ガスとして貯蔵することができる。水素は、自動車、電車、バス、トラック等の水素燃料電池に使用するエネルギーキャリアです。
基本的な電解槽には、カソード(負電荷)とアノード(正電荷)と、ポンプ、ベント、貯蔵タンク、電源、セパレータなどの周辺部品が含まれています。水電解は、電解槽内で起こる電気化学反応です。アノードとカソードは直流電流で駆動され、水(H20)は水素(H2)と酸素(O2)の成分に分割されます。

文献 / 参考文献

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