묽은 황산의 초음파 전해를 통한 수소 생산
묽은 황산을 전기분해하면 수소 기체와 산소 기체가 생성됩니다. 초음파 처리는 전극 표면의 확산층 두께를 줄이고 전기분해 중 물질 전달을 개선합니다. 초음파 처리는 전해 셀 내 수소 기체 생성 속도를 크게 높일 수 있습니다.
아래에서는 탄소 양극과 티타늄 음극을 사용하는 두 가지 실험 구성을 설명합니다. 초음파 처리가 전기분해에 미치는 긍정적인 효과를 입증하기 위해 티타늄 음극을 초음파 전극으로 사용합니다. 이를 통해 묽은 황산을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하는 과정에 초음파 진동과 캐비테이션이 더해집니다. 초음파와 전기의 결합은 초음파 전기화학, 초음파 전해 및 초음파 전기합성에 사용됩니다.
Hielscher 초음파 균질기 UP100H(100 와트, 30kHz)에는 초음파 전기화학용 업그레이드가 적용되어 있습니다. 이를 통해 전해 공정에서 소노트로드를 음극 또는 양극으로 사용할 수 있습니다. 산업용 초음파 전해 구성은 여기를 클릭하세요!
UP100H 초음파 처리 장치에 장착된 초음파 전기 음극
초음파 전해 구성 1 – H형 비분리 전해 셀
이 구성에서는 묽은 황산(H2SO4, 1.0M)을 사용합니다. H형 비분리 전해 셀에 전해액을 채웁니다. 이 셀은 호프만 전기분해 장치로 알려져 있습니다. 이 장치는 수직으로 세워져 서로 연결된 세 개의 유리 원통으로 이루어져 있습니다. 가운데 원통은 전해액을 채울 수 있도록 상단이 열려 있습니다. 바깥쪽 관 상단의 밸브를 열면 주입 중에 관 안의 기체가 빠져나갈 수 있습니다. 전해 셀에서 전극은 고무 링으로 밀봉되며 산성화된 수용액에 거꾸로 담깁니다. 양의 전극인 양극은 탄소(8mm)로 만들어집니다. 음의 전극인 음극은 티타늄 초음파 전극(10mm, 표면적이 큰 특수 소노트로드, Hielscher UP100H, 100 와트, 30kHz)입니다. 티타늄 초음파 전극과 탄소 전극은 불활성입니다. 전기분해는 묽은 황산 용액에 전류가 흐를 때만 일어납니다. 따라서 탄소 양극과 티타늄 음극을 정전압 전원 공급 장치(직류)에 연결합니다.
묽은 황산의 전기분해에서 생성되는 수소 기체와 산소 기체는 각 전극 위에 있는 눈금이 표시된 바깥쪽 관에 포집됩니다. 기체 부피만큼 바깥쪽 관의 전해액이 밀려나므로 추가로 생성된 기체의 부피를 측정할 수 있습니다. 이론적인 기체 부피비는 2:1입니다. 전기분해 중에는 전해액에서 물만 수소 기체와 산소 기체 형태로 제거됩니다. 따라서 전기분해 중 묽은 황산의 농도는 약간 높아집니다.
아래 동영상은 펄스 초음파 처리(진폭 100%, 사이클 모드, 0.2초 켜짐, 0.8초 꺼짐)를 이용한 묽은 황산의 초음파 전해를 보여줍니다. 두 실험 모두 2.1V(직류, 정전압)에서 수행되었습니다.
초음파 전해 구성 2 – 간단한 회분식 구성
유리 용기에 묽은 황산(H2SO4, 1.0M) 전해액을 채웁니다. 이 간단한 전해 셀에서는 전극을 산성화된 수용액에 담급니다. 양의 전극인 양극은 탄소(8mm)로 만들어집니다. 음의 전극인 음극은 티타늄 초음파 전극(10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 와트, 30kHz)입니다. 전기분해는 묽은 황산 용액에 전류가 흐를 때만 일어납니다. 따라서 탄소 양극과 티타늄 음극을 정전압 전원 공급 장치(직류)에 연결합니다. 티타늄 전극과 탄소 전극은 불활성입니다. 이 구성에서는 묽은 황산의 전기분해에서 생성되는 수소 기체와 산소 기체를 포집하지 않습니다. 아래 동영상은 이 매우 간단한 구성의 작동 모습을 보여줍니다.
전기분해 중에는 어떤 일이 일어날까요?
수소 이온은 음의 전극인 음극으로 끌려갑니다. 그곳에서 수소 이온 또는 물 분자는 전자를 얻어 수소 기체 분자로 환원됩니다. 그 결과 수소 기체 분자가 수소 기체로 방출됩니다. 반응성이 높은 여러 금속의 염이나 산 용액을 전기분해하면 음의 전극인 음극에서 수소가 생성됩니다.
음전하를 띤 황산 이온이나 미량의 수산화 이온은 양의 전극인 양극으로 끌려갑니다. 황산 이온 자체는 매우 안정적이므로 아무 반응도 일어나지 않습니다. 수산화 이온 또는 물 분자는 양극에서 방전되고 산화되어 산소를 형성합니다. 양의 전극인 양극에서 일어나는 이 반응은 전자 손실에 의한 산화 전극 반응입니다.
묽은 황산을 사용하는 이유는 무엇일까요?
물에는 수소 이온과 수산화 이온이 극히 낮은 농도로만 존재합니다. 이로 인해 전기 전도도가 제한됩니다. 묽은 황산에서 유래한 고농도의 수소 이온과 황산 이온은 전해액의 전기 전도도를 높입니다. 대안으로 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NAOH)과 물로 이루어진 알칼리성 전해액을 사용할 수 있습니다. 여러 염 용액이나 황산을 전기분해하면 음의 전극인 음극에서 수소가, 양의 전극인 양극에서 산소가 생성됩니다. 염산이나 염화물 염을 전기분해하면 양극에서 염소가 생성됩니다.
전해조란 무엇일까요?
전해조는 전기분해라고 하는 공정을 통해 물을 수소와 산소로 분리하는 장치입니다. 전해조는 전기를 사용하여 수소 기체와 산소 기체를 생성합니다. 수소 기체는 압축 또는 액화된 기체로 저장할 수 있습니다. 수소는 자동차, 기차, 버스 또는 트럭의 수소 연료 전지에 사용되는 에너지 운반체입니다.
기본적인 전해조는 음극(음전하)과 양극(양전하), 그리고 펌프, 통기구, 저장 탱크, 전원 공급 장치, 분리기 및 기타 부품과 같은 주변 구성 요소를 포함합니다. 물의 전기분해는 전해조 내부에서 일어나는 전기화학 반응입니다. 양극과 음극에 직류가 공급되면 물(H20)이 그 구성 성분인 수소(H2)와 산소(O2)로 분해됩니다.
문헌 / 참고문헌
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