სონოელექტროლიზური წყალბადის წარმოება განზავებული გოგირდის მჟავისგან
განზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიზით წარმოიქმნება წყალბადი და ჟანგბადი. ულტრაბგერითი ამცირებს დიფუზიური ფენის სისქეს ელექტროდის ზედაპირზე და აუმჯობესებს მასის გადაცემას ელექტროლიზის დროს. ულტრაბგერითმა შეიძლება მნიშვნელოვნად გაზარდოს წყალბადის გაზის წარმოების სიჩქარე ელექტროლიტურ უჯრედში.
ორი ექსპერიმენტული დაყენება ნახშირბადის ანოდით და ტიტანის კათოდით აღწერილია ქვემოთ. ელექტროლიზზე ულტრაბგერითი მოქმედების დადებითი ეფექტის საჩვენებლად, ტიტანის კათოდი არის სონოელექტროდი. ეს ამატებს ულტრაბგერით ვიბრაციას და კავიტაციას წყალბადის და ჟანგბადის ელექტროლიტურ წარმოებას განზავებული გოგირდის მჟავისგან. ულტრაბგერითი ელექტროენერგიის კომბინაცია გამოიყენება სონოელექტროქიმიაში, სონოელექტროლიზსა და სონოელექტროსინთეზში.
Hielscher ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი UP100H (100 ვატი, 30 kHz) აღჭურვილია სონოელექტროქიმიური განახლებით. ეს საშუალებას გაძლევთ გამოიყენოთ სონოტროდი, როგორც კათოდი ან ანოდი ელექტროლიტურ პროცესში. სამრეწველო სონოელექტროლიტური დაყენებისთვის, გთხოვთ, დააწკაპუნოთ აქ!
Sonoelectric კათოდი UP100H ულტრაბგერითი პროცესორზე
სონოელექტროლიზის დაყენება 1 – H- ტიპის განუყოფელი უჯრედი
დაყენება იყენებს განზავებულ გოგირდმჟავას (H2SO4, 1.0M). H- ტიპის განუყოფელი უჯრედი ივსება ელექტროლიტით. ეს უჯრედი ცნობილია როგორც ჰოფმანის ვოლტამეტრი. მას აქვს სამი შეერთებული ვერტიკალური მინის ცილინდრი. შიდა ცილინდრი ღიაა ზედა ნაწილში, რათა მოხდეს ელექტროლიტით შევსება. გარე მილების ზედა ნაწილში სარქველების გახსნა საშუალებას აძლევს ნებისმიერ გაზს გამოვიდეს შევსების დროს. ელექტროლიტურ უჯრედში ელექტროდები ილუქება რეზინის რგოლებით და თავდაყირა ჩაეფლო მჟავიან წყლის ხსნარში. დადებითი ანოდი ელექტროდი დამზადებულია ნახშირბადისგან (8 მმ). უარყოფითი კათოდი არის ტიტანის ულტრაბგერითი სონოელექტროდი (10 მმ, სპეციალური მაღალი ზედაპირის სონოტროდი, Hielscher UP100H, 100 ვატი, 30 kHz). ტიტანის სონოელექტროდი და ნახშირბადის ელექტროდი ინერტულია. ელექტროლიზი მოხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ელექტროენერგია გადადის გოგირდმჟავას განზავებულ ხსნარში. ამიტომ, ნახშირბადის ანოდი და ტიტანის კათოდი დაკავშირებულია მუდმივი ძაბვის ელექტრომომარაგებასთან (პირდაპირი დენი).
წყალბადის გაზი და ჟანგბადის გაზი, რომელიც წარმოიქმნება განზავებული გოგირდის მჟავას ელექტროლიზისას, გროვდება თითოეული ელექტროდის ზემოთ მდებარე გარე მილებში. გაზის მოცულობა ანაცვლებს ელექტროლიტს გარე მილებში და შესაძლებელია დამატებითი გაზის მოცულობის გაზომვა. გაზის მოცულობის თეორიული თანაფარდობაა 2:1. ელექტროლიზის დროს ელექტროლიტიდან მხოლოდ წყალი იხსნება წყალბადის გაზისა და ჟანგბადის გაზის სახით. აქედან გამომდინარე, განზავებული გოგირდმჟავას კონცენტრაცია ოდნავ იზრდება ელექტროლიზის დროს.
ქვემოთ მოცემულ ვიდეოში ნაჩვენებია განზავებული გოგირდმჟავას სონოელექტროლიზი პულსური ულტრაბგერითი გამორთვის გამოყენებით (100% ამპლიტუდა, ციკლის რეჟიმი, 0.2 წამი ჩართული, 0.8 წამი გამორთული). ორივე ტესტი ჩატარდა 2.1 ვ-ზე (DC, მუდმივი ძაბვა).
სონოელექტროლიზის დაყენება 2 – მარტივი პარტია
მინის ჭურჭელი ივსება განზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიტით (H2SO4, 1.0M). ამ მარტივ ელექტროლიტურ უჯრედში, ელექტროდები ჩაეფლო მჟავე წყლის ხსნარში. დადებითი ანოდი ელექტროდი დამზადებულია ნახშირბადისგან (8 მმ). უარყოფითი კათოდი არის ტიტანის ულტრაბგერითი სონოელექტროდი (10 მმ, MS10, Hielscher UP100H, 100 ვატი, 30 kHz). ელექტროლიზი მოხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ელექტროენერგია გადადის გოგირდმჟავას განზავებულ ხსნარში. ამრიგად, ნახშირბადის ანოდი და ტიტანის კათოდი დაკავშირებულია მუდმივი ძაბვის ელექტრომომარაგებასთან (პირდაპირი დენი). ტიტანის ელექტროდი და ნახშირბადის ელექტროდი ინერტულია. წყალბადის გაზი და ჟანგბადის გაზი, რომელიც წარმოიქმნება განზავებული გოგირდმჟავას ელექტროლიზისას, არ გროვდება ამ პარამეტრში. ქვემოთ მოყვანილი ვიდეო გვიჩვენებს ამ ძალიან მარტივ დაყენებას ექსპლუატაციაში.
რა ხდება ელექტროლიზის დროს?
წყალბადის იონები იზიდავს უარყოფით კათოდს. იქ წყალბადის იონის ან წყლის მოლეკულები ელექტრონის მომატებით მცირდება წყალბადის აირის მოლეკულებად. შედეგად წყალბადის გაზის მოლეკულები გამოიყოფა წყალბადის გაზის სახით. მრავალი რეაქტიული ლითონის მარილის ან მჟავა ხსნარის ელექტროლიზი წარმოქმნის წყალბადს უარყოფით კათოდის ელექტროდზე.
უარყოფითი სულფატის იონები ან ჰიდროქსიდის იონების კვალი იზიდავს დადებით ანოდს. სულფატის იონი თავისთავად ძალიან სტაბილურია, ისე რომ არაფერი ხდება. ჰიდროქსიდის იონები ან წყლის მოლეკულები იხსნება და იჟანგება ანოდში ჟანგბადის წარმოქმნით. ეს დადებითი ანოდური რეაქცია არის ჟანგვის ელექტროდის რეაქცია ელექტრონის დაკარგვით.
რატომ ვიყენებთ განზავებულ გოგირდის მჟავას?
წყალი შეიცავს მხოლოდ წყალბადის იონების და ჰიდროქსიდის იონების მცირე კონცენტრაციებს. ეს ზღუდავს ელექტროგამტარობას. წყალბადის იონებისა და სულფატის იონების მაღალი კონცენტრაცია განზავებული გოგირდმჟავას 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 ელექტროლიზით წარმოიქმნება წყალბადი უარყოფით კათოდზე და ჟანგბადი დადებით ანოდზე. მარილმჟავას ან ქლორიდის მარილების ელექტროლიზი წარმოქმნის ქლორს ანოდში.
რა არის ელექტროლიზატორი?
ელექტროლიზატორი არის მოწყობილობა წყლის გამოყოფისთვის წყალბადად და ჟანგბადად ელექტროლიზის სახელით ცნობილი პროცესით. ელექტროლიზატორი იყენებს ელექტროენერგიას წყალბადის გაზისა და ჟანგბადის გაზის წარმოებისთვის. წყალბადის გაზი შეიძლება ინახებოდეს შეკუმშული ან თხევადი აირის სახით. წყალბადი არის ენერგიის გადამზიდავი წყალბადის საწვავის უჯრედში გამოსაყენებლად მანქანებში, მატარებლებში, ავტობუსებში ან სატვირთო მანქანებში.
ძირითადი ელექტროლიზატორი შეიცავს კათოდს (უარყოფითი მუხტი) და ანოდს (დადებითი მუხტი) და პერიფერიულ კომპონენტებს, როგორიცაა ტუმბოები, ვენტილატორები, შესანახი ავზები, ელექტრომომარაგება, გამყოფი და სხვა კომპონენტები. წყლის ელექტროლიზი არის ელექტროქიმიური რეაქცია, რომელიც ხდება ელექტროლიზატორში. ანოდი და კათოდი იკვებება პირდაპირი დენით და წყალი (H20) იყოფა მის კომპონენტებად წყალბადად (H2) და ჟანგბადად (O2).
ლიტერატურა / ლიტერატურა
- 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.