სონოელექტროლიზული წყალბადის წარმოება განზავებული გოგირდმჟავასგან
განზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიზი წარმოქმნის წყალბადის გაზსა და ჟანგბადის გაზს. ულტრასონიკაცია ამცირებს დიფუზიის ფენის სისქეს ელექტროდის ზედაპირზე და აუმჯობესებს მასის გადაცემას ელექტროლიზის დროს. ულტრასონიკაციამ შეიძლება მნიშვნელოვნად გაზარდოს წყალბადის გაზის წარმოების სიჩქარე ელექტროლიტურ უჯრედში.
ქვემოთ აღწერილია ნახშირბადის ანოდისა და ტიტანის კათოდის ორი ექსპერიმენტული დაყენება. ულტრასონიკაციის დადებითი ეფექტის დემონსტრირება ელექტროლიზზე, ტიტანის კათოდი არის სონოელექტროდი. ეს დასძენს ულტრაბგერითი ვიბრაციებს და კავიტაციას გაზავებული გოგირდმჟავას წყალბადის და ჟანგბადის ელექტროლიტურ წარმოებას. ულტრაბგერითი საშუალებების კომბინაცია ელექტროენერგიასთან გამოიყენება სონოელექტროქიმიაში, სონოელექტროლიზსა და სონოელექტროსინთეზში.
ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი Hielscher UP100H (100 ვატი, 30 კჰც) აღჭურვილია სონოელექტროქიმიური განახლებით. ეს საშუალებას იძლევა სონოტროდი გამოვიყენოთ როგორც კათოდური ან ანოდი ელექტროლიზურ პროცესში. სამრეწველო სონოელექტროლიზური ინსტალაციისთვის, დააჭირეთ აქ!
Sonoelectric კათოდური UP100H ულტრაბგერითი პროცესორზე
სონოელექტროლიზის დაყენება 1 – H ტიპის განუყოფელი უჯრედი
ინსტალაცია იყენებს განზავებულ გოგირდმჟავას (H2SO4, 1.0M). H ტიპის გაყოფილი უჯრედი ივსება ელექტროლიტით. ეს უჯრედი ცნობილია როგორც ჰოფმანის ვოლტამეტრი. მას აქვს სამი შეერთებული ვერტიკალური მინის ცილინდრი. შიდა ცილინდრი გახსნილია ზედა ნაწილში, რათა ელექტროლიტით შეივსოს. ვენტილების გახსნა გარეთა მილების ზედა ნაწილში საშუალებას იძლევა გაზი გადინდეს შევსების დროს. ელექტროლიტურ უჯრედში ელექტროდები დალუქულია რეზინის რგოლებით და თავდაყირა იძირებიან დამჟავებული წყლის ხსნარში. დადებითი ანოდის ელექტროდი დამზადებულია ნახშირბადისგან (8 მმ). ნეგატიური კათოდი არის ტიტანის ულტრაბგერითი სონოელექტროდი (10 მმ, სპეციალური ზედაპირის სონოტროდი, Hielscher UP100H, 100 ვატი, 30 კჰც). ტიტანის სონოელექტროდი და ნახშირბადის ელექტროდი ინერტულია. ელექტროლიზი მოხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ელექტროენერგია გაიცემა გოგირდმჟავას განზავებულ ხსნარში. აქედან გამომდინარე, ნახშირბადის ანოდი და ტიტანის კათოდი უკავშირდება მუდმივი ძაბვის ელექტროენერგიის მიწოდებას (პირდაპირი დენის).
წყალბადის გაზი და ჟანგბადის გაზი, რომელიც წარმოიქმნება განზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიზში, გროვდება გრადუსულ გარეთა მილებში თითოეულ ელექტროდზე. გაზის მოცულობა ელექტროლიტს გადაადგილებს გარე მილებში, ხოლო დამატებითი გაზის მოცულობის გაზომვა შესაძლებელია. გაზის მოცულობის თეორიული თანაფარდობაა 2: 1. ელექტროლიზის დროს ელექტროლიტიდან მხოლოდ წყალს იღებენ წყალბადის გაზისა და ჟანგბადის გაზის სახით. აქედან გამომდინარე, გაზავებული გოგირდმჟავას კონცენტრაცია ოდნავ იზრდება ელექტროლიზის დროს.
ქვემოთ მოყვანილი ვიდეო გვიჩვენებს განზავებული გოგირდმჟავის სონოელექტროლიზს პულსირებული ულტრასონიკაციის გამოყენებით (100% ამპლიტუდა, ციკლის რეჟიმი, 0.2 წამი ჩართვა, 0.8 წამი გამორთული). ორივე ტესტი მუშაობდა 2.1V (DC, მუდმივი ძაბვა).
სონოელექტროლიზის დაყენება 2 – მარტივი პარტია
მინის ჭურჭელი ივსება გაზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიტით (H2SO4, 1.0M). ამ მარტივ ელექტროლიზურ უჯრედში ელექტროდები ჩაჟღენთილია მჟავე წყლის ხსნარში. დადებითი ანოდის ელექტროდი დამზადებულია ნახშირბადისგან (8 მმ). უარყოფითი კათოდი არის ტიტანის ულტრაბგერითი სონოელექტროდი (10 მმ, MS10, Hielscher UP100H, 100 ვატი, 30 კჰც). ელექტროლიზი მოხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ელექტროენერგია გაიცემა გოგირდმჟავას განზავებულ ხსნარში. აქედან გამომდინარე, ნახშირბადის ანოდი და ტიტანის კათოდი უკავშირდება მუდმივი ძაბვის ელექტროენერგიის მიწოდებას (პირდაპირი დენის). ტიტანის ელექტროდი და ნახშირბადის ელექტროდი ინერტულია. წყალბადის გაზი და ჟანგბადის გაზი, რომელიც წარმოიქმნება გაზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიზში, ამ შეგროვებაში არ არის შეგროვებული. ქვემოთ მოცემული ვიდეო გვიჩვენებს ამ მარტივ დაყენებას.
რა ხდება ელექტროლიზის დროს?
წყალბადის იონებს იზიდავს უარყოფითი კათოდი. იქ, წყალბადის იონის ან წყლის მოლეკულები ელექტრონის მოგებით იკლებს წყალბადის გაზის მოლეკულად. შედეგად წყალბადის გაზის მოლეკულები გამოიყოფა წყალბადის გაზის სახით. მრავალი რეაქტიული ლითონის მარილის ან მჟავას ხსნარის ელექტროლიზი წარმოქმნის წყალბადს უარყოფით კათოდურ ელექტროდთან.
უარყოფითი სულფატის იონები ან ჰიდროქსიდის იონების კვალი იზიდავს დადებით ანოდს. სულფატის იონი თავისთავად ძალიან სტაბილურია, ისე რომ არაფერი მოხდეს. ჰიდროქსიდის იონების ან წყლის მოლეკულების გამოყოფა და ჟანგვა ხდება ანოდში და ქმნის ჟანგბადს. ეს დადებითი ანოდური რეაქცია არის დაჟანგვის ელექტროდის რეაქცია ელექტრონის დაკარგვით.
რატომ ვიყენებთ განზავებულ გოგირდმჟავას?
წყალი შეიცავს მხოლოდ წყალბადის იონებისა და ჰიდროქსიდის იონების კონცენტრაციებს. ეს ზღუდავს ელექტროგამტარობას. წყალბადის იონებისა და სულფატის იონების მაღალი კონცენტრაციები განზავებული გოგირდმჟავასგან აუმჯობესებს ელექტროლიტის ელექტროგამტარობას. გარდა ამისა, შეგიძლიათ გამოიყენოთ ტუტე ელექტროლიტური ხსნარი, როგორიცაა კალიუმის ჰიდროქსიდი (KOH) ან ნატრიუმის ჰიდროქსიდი (NAOH) და წყალი. მარილების ან გოგირდმჟავას მრავალი ხსნარის ელექტროლიზი წარმოქმნის წყალბადს უარყოფით კათოდზე და ჟანგბადს დადებით ანოდში. მარილმჟავას ან ქლორიდის მარილების ელექტროლიზი ანოდში წარმოქმნის ქლორს.
რა არის ელექტროლიზატორი?
ელექტროლიზატორი არის მოწყობილობა წყალბადად და ჟანგბადებად გამოყოფის პროცესში, რომელიც ცნობილია როგორც ელექტროლიზი. ელექტროლიზატორი იყენებს ელექტროენერგიას წყალბადის გაზისა და ჟანგბადის გაზის წარმოებისთვის. წყალბადის გაზი შეიძლება შენახული იქნას როგორც შეკუმშული ან თხევადი გაზი. წყალბადის არის ენერგიის გადამზიდავი გამოყენება წყალბადის საწვავის საკანში მანქანები, მატარებლები, ავტობუსები, ან სატვირთო.
ძირითადი ელექტროლიზატორი შეიცავს კათოდს (უარყოფით მუხტს) და ანოდს (პოზიტიურ მუხტს) და პერიფერიულ კომპონენტებს, როგორიცაა ტუმბოები, გამწოვები, სათავსები, ელექტროენერგიის მიწოდება, გამყოფი და სხვა კომპონენტები. წყლის ელექტროლიზი არის ელექტროქიმიური რეაქცია, რომელიც ხდება ელექტროლიზატორის ფარგლებში. ანოდი და კათოდი იკვებება პირდაპირი მიმდინარეობით და წყალი (H20) იყოფა მის კომპონენტებად წყალბად (H2) და ჟანგბადი (O2).
ლიტერატურა / ცნობები
- 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.