წყალბადის სონოელექტროლიზური წარმოება განზავებული გოგირდმჟავიდან
განზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიზი წარმოქმნის წყალბადისა და ჟანგბადის გაზებს. ულტრაბგერითი დამუშავება ამცირებს ელექტროდის ზედაპირზე დიფუზიური ფენის სისქეს და აუმჯობესებს მასის გადატანას ელექტროლიზის დროს. ულტრაბგერითმა დამუშავებამ შეიძლება მნიშვნელოვნად გაზარდოს წყალბადის გაზის წარმოების სიჩქარე ელექტროლიზურ უჯრედში.
ქვემოთ აღწერილია ორი ექსპერიმენტული სქემა ნახშირბადის ანოდითა და ტიტანის კათოდით. იმისათვის, რომ ვიჩვენოთ ულტრაბგერითი დამუშავების დადებითი გავლენა ელექტროლიზზე, ტიტანის კათოდი არის სონოელექტროდი. ეს უმატებს ულტრაბგერით ვიბრაციებსა და კავიტაციას წყალბადისა და ჟანგბადის ელექტროლიზურ წარმოებას განზავებული გოგირდმჟავიდან. ულტრაბგერისა და ელექტროენერგიის კომბინაცია გამოიყენება სონოელექტროქიმიაში, სონოელექტროლიზსა და სონოელექტროსინთეზში.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი UP100H (100 ვატი, 30kHz) აღჭურვილია სონოელექტროქიმიური მოდერნიზაციით. ეს საშუალებას გვაძლევს, გამოვიყენოთ სონოტროდი როგორც კათოდი ან ანოდი ელექტროლიზურ პროცესში. სამრეწველო სონოელექტროლიზური სქემებისთვის, გთხოვთ, დააჭირეთ აქ!
სონოელექტრული კათოდი UP100H ულტრაბგერით პროცესორზე
სონოელექტროლიზის სქემა 1 – H-ტიპის გაუყოფელი უჯრედი
სქემა იყენებს განზავებულ გოგირდმჟავას (H2SO4, 1,0M). H-ტიპის გაუყოფელი უჯრედი ივსება ელექტროლიტით. ეს უჯრედი ცნობილია როგორც ჰოფმანის ვოლტამეტრი. მას აქვს სამი შეერთებული ვერტიკალური მინის ცილინდრი. შიდა ცილინდრი ზემოდან ღიაა, რათა შესაძლებელი იყოს მისი ელექტროლიტით შევსება. გარე მილების ზედა ნაწილში სარქველების გაღება საშუალებას აძლევს ნებისმიერ გაზს, რომ გამოვიდეს შევსების დროს. ელექტროლიზურ უჯრედში ელექტროდები ჰერმეტულად არის დამაგრებული რეზინის რგოლებით და თავდაყირა ჩაძირულია შემჟავებული წყლის ხსნარში. დადებითი ანოდის ელექტროდი დამზადებულია ნახშირბადისგან (8mm). უარყოფითი კათოდი არის ტიტანის ულტრაბგერითი სონოელექტროდი (10mm, სპეციალური სონოტროდი ზედაპირის დიდი ფართობით, Hielscher UP100H, 100 ვატი, 30kHz). ტიტანის სონოელექტროდი და ნახშირბადის ელექტროდი ინერტულია. ელექტროლიზი მოხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ელექტრული დენი გაივლის განზავებული გოგირდმჟავას ხსნარში. ამიტომ, ნახშირბადის ანოდი და ტიტანის კათოდი შეერთებულია მუდმივი ძაბვის კვების წყაროსთან (მუდმივი დენი).
განზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიზის დროს წარმოქმნილი წყალბადისა და ჟანგბადის გაზები გროვდება გრადუირებულ გარე მილებში თითოეული ელექტროდის ზემოთ. გაზი გამოდევნის ელექტროლიტს გარე მილებიდან და შესაძლებელია დამატებით წარმოქმნილი გაზის მოცულობის გაზომვა. გაზების მოცულობების თეორიული თანაფარდობა არის 2:1. ელექტროლიზის დროს ელექტროლიტიდან მხოლოდ წყალი შორდება წყალბადისა და ჟანგბადის გაზების სახით. შესაბამისად, განზავებული გოგირდმჟავას კონცენტრაცია ოდნავ იზრდება ელექტროლიზის დროს.
ქვემოთ მოცემული ვიდეო აჩვენებს განზავებული გოგირდმჟავას სონოელექტროლიზს იმპულსური ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით (100% ამპლიტუდა, ციკლური რეჟიმი, 0,2 წამი ჩართული, 0,8 წამი გამორთული). ორივე ტესტი ჩატარდა 2,1V-ზე (DC, მუდმივი ძაბვა).
სონოელექტროლიზის სქემა 2 – მარტივი პერიოდული პროცესი
მინის ჭურჭელი ივსება განზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიტით (H2SO4, 1,0M). ამ მარტივ ელექტროლიზურ უჯრედში ელექტროდები ჩაძირულია შემჟავებული წყლის ხსნარში. დადებითი ანოდის ელექტროდი დამზადებულია ნახშირბადისგან (8mm). უარყოფითი კათოდი არის ტიტანის ულტრაბგერითი სონოელექტროდი (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 ვატი, 30kHz). ელექტროლიზი მოხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ელექტრული დენი გაივლის განზავებული გოგირდმჟავას ხსნარში. ამიტომ, ნახშირბადის ანოდი და ტიტანის კათოდი შეერთებულია მუდმივი ძაბვის კვების წყაროსთან (მუდმივი დენი). ტიტანის ელექტროდი და ნახშირბადის ელექტროდი ინერტულია. განზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიზის დროს წარმოქმნილი წყალბადისა და ჟანგბადის გაზები ამ სქემაში არ გროვდება. ქვემოთ მოცემული ვიდეო აჩვენებს ამ ძალიან მარტივ სქემას მოქმედებაში.
რა ხდება ელექტროლიზის დროს?
წყალბადის იონები მიიზიდება უარყოფითი კათოდისკენ. იქ წყალბადის იონები ან წყლის მოლეკულები აღდგება წყალბადის გაზის მოლეკულებამდე ელექტრონების მიღებით. შედეგად, წყალბადის მოლეკულები გამოიყოფა გაზის სახით. მრავალი აქტიური ლითონის მარილის ან მჟავას ხსნარის ელექტროლიზისას წყალბადი წარმოიქმნება უარყოფით კათოდურ ელექტროდზე.
სულფატის უარყოფითი იონები ან ჰიდროქსიდის იონების კვალის ოდენობა მიიზიდება დადებითი ანოდისკენ. სულფატის იონი თავისთავად ძალიან სტაბილურია, ამიტომ არაფერი ხდება. ჰიდროქსიდის იონები ან წყლის მოლეკულები ანოდზე განიმუხტება და იჟანგება ჟანგბადის წარმოქმნით. დადებით ანოდზე მიმდინარე ეს რეაქცია არის ელექტროდული ჟანგვის რეაქცია, რომელიც ელექტრონის დაკარგვით მიმდინარეობს.
რატომ ვიყენებთ განზავებულ გოგირდმჟავას?
წყალი შეიცავს წყალბადის იონებისა და ჰიდროქსიდის იონების მხოლოდ მცირე კონცენტრაციებს. ეს ზღუდავს ელექტროგამტარობას. განზავებული გოგირდმჟავიდან მიღებული წყალბადის იონებისა და სულფატის იონების მაღალი კონცენტრაციები აუმჯობესებს ელექტროლიტის ელექტროგამტარობას. ალტერნატიულად, შეგიძლიათ გამოიყენოთ ტუტე ელექტროლიტის ხსნარი, როგორიცაა კალიუმის ჰიდროქსიდი (KOH) ან ნატრიუმის ჰიდროქსიდი (NAOH), და წყალი. მრავალი მარილის ხსნარის ან გოგირდმჟავას ელექტროლიზი წარმოქმნის წყალბადს უარყოფით კათოდზე და ჟანგბადს დადებით ანოდზე. მარილმჟავას ან ქლორიდის მარილების ელექტროლიზი წარმოქმნის ქლორს ანოდზე.
რა არის ელექტროლიზერი?
ელექტროლიზერი არის მოწყობილობა წყლის წყალბადად და ჟანგბადად დასაყოფად პროცესში, რომელიც ცნობილია როგორც ელექტროლიზი. ელექტროლიზერი იყენებს ელექტროენერგიას წყალბადისა და ჟანგბადის გაზების წარმოსაქმნელად. წყალბადის გაზი შეიძლება შეინახებოდეს როგორც შეკუმშული ან გათხევადებული გაზი. წყალბადი არის ენერგეტიკული მატარებელი, რომელიც გამოიყენება წყალბადის საწვავის ელემენტში მანქანებში, მატარებლებში, ავტობუსებში ან სატვირთო მანქანებში.
საბაზისო ელექტროლიზერი შეიცავს კათოდს (უარყოფითი მუხტი) და ანოდს (დადებითი მუხტი) და პერიფერიულ კომპონენტებს, როგორიცაა ტუმბოები, აირის გამოსაშვები ღიობები, შესანახი ავზები, კვების წყარო, გამყოფი და სხვა კომპონენტები. წყლის ელექტროლიზი არის ელექტროქიმიური რეაქცია, რომელიც მიმდინარეობს ელექტროლიზერში. ანოდი და კათოდი იკვებება მუდმივი დენით და წყალი (H20) იყოფა თავის კომპონენტებად: წყალბადად (H2) და ჟანგბადად (O2).
ლიტერატურა / რეფერენსები
- 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.