Sonoelektrolytesch Produktioun vu Waasserstoff aus verdënnter Schwiefelsaier
D’Elektrolys vu verdënnter Schwiefelsaier produzéiert Waasserstoffgas a Sauerstoffgas. D’Ultraschallbehandlung reduzéiert d’Déckt vun der Diffusiounsschicht op der Elektrodenuewerfläch a verbessert de Stofftransport wärend der Elektrolys. D’Ultraschallbehandlung kann d’Produktiounsrate vu Waasserstoffgas an der Elektrolyszell däitlech erhéijen.
Hei ënne ginn zwee Versuchsopbaute mat enger Kuelestoffanod an enger Titankathod beschriwwen. Fir déi positiv Auswierkunge vun der Ultraschallbehandlung op d’Elektrolys ze demonstréieren, ass d’Titankathod eng Sonoelektrod. Doduerch kommen Ultraschallschwéngungen a Kavitatioun bei der elektrolytescher Produktioun vu Waasserstoff a Sauerstoff aus verdënnter Schwiefelsaier derbäi. D’Kombinatioun vun Ultraschall mat elektreschem Stroum gëtt an der Sonoelektrochemie, der Sonoelektrolys an der Sonoelektrosynthees benotzt.
Den Hielscher Ultraschallhomogenisator UP100H (100 Watt, 30kHz) ass mat enger sonoelektrochemescher Erweiderung ekipéiert. Dës erlaabt et, d’Sonotrod als Kathod oder Anod an engem elektrolytesche Prozess ze benotzen. Fir industriell Sonoelektrolysopbaute klickt wgl. hei!
Sonoelektresch Kathod um UP100H Ultraschallprozessor
Sonoelektrolysopbau 1 – Onopgedeelt Zell vum H-Typ
Den Opbau benotzt verdënnte Schwiefelsaier (H2SO4, 1,0M). Eng onopgedeelt Zell vum H-Typ gëtt mam Elektrolyt gefëllt. Dës Zell ass als Hofmann-Voltameter bekannt. Si huet dräi matenee verbonne vertikal Glaszylinder. De bannenzegen Zylinder ass uewen op, fir datt en Elektrolyt agefëllt ka ginn. Duerch d’Opmaache vun de Ventiller uewen op de baussenzege Réier kann all Gas beim Fëllen entweichen. An der Elektrolyszell sinn d’Elektrode mat Gummiréng ofgedicht a mam Kapp no ënnen an d’Léisung aus ugesaiertem Waasser agedaucht. Déi positiv Anodenelektrod besteet aus Kuelestoff (8mm). Déi negativ Kathod ass eng Ultraschall-Sonoelektrod aus Titan (10mm, speziell Sonotrod mat grousser Uewerfläch, Hielscher UP100H, 100 Watt, 30kHz). D’Titan-Sonoelektrod an d’Kuelestoffelektrod sinn inert. D’Elektrolys fënnt nëmme statt, wann elektresche Stroum duerch déi verdënnte Schwiefelsaierléisung geleet gëtt. Dofir sinn d’Kuelestoffanod an eng Titankathod un eng Stroumversuergung mat konstanter Spannung ugeschloss (Gläichstroum).
De Waasserstoffgas an de Sauerstoffgas, déi bei der Elektrolys vun der verdënnter Schwiefelsaier produzéiert ginn, ginn an de graduéierte baussenzege Réier iwwer all Elektrod gesammelt. De Gasvolume verdrängt den Elektrolyt an de baussenzege Réier, an de Volume vum zousätzleche Gas ka gemooss ginn. Den theoreetesche Verhältnis vun de Gasvolummen ass 2:1. Wärend der Elektrolys gëtt nëmme Waasser a Form vu Waasserstoffgas a Sauerstoffgas aus dem Elektrolyt ewechgeholl. Dofir klëmmt d’Konzentratioun vun der verdënnter Schwiefelsaier wärend der Elektrolys liicht.
De Video hei ënne weist d’Sonoelektrolys vu verdënnter Schwiefelsaier mat gepulster Ultraschallbehandlung (100% Amplitud, Zyklusmodus, 0,2 Sekonnen un, 0,8 Sekonnen aus). Béid Tester goufe bei 2,1V duerchgefouert (DC, konstant Spannung).
Sonoelektrolysopbau 2 – Einfache Chargëbetrib
E Glasgefääss gëtt mat engem Elektrolyt aus verdënnter Schwiefelsaier (H2SO4, 1,0M) gefëllt. An dëser einfacher Elektrolyszell sinn d’Elektroden an eng Léisung aus dem ugesaierte Waasser agedaucht. Déi positiv Anodenelektrod besteet aus Kuelestoff (8mm). Déi negativ Kathod ass eng Ultraschall-Sonoelektrod aus Titan (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 Watt, 30kHz). D’Elektrolys fënnt nëmme statt, wann elektresche Stroum duerch déi verdënnte Schwiefelsaierléisung geleet gëtt. Dofir sinn d’Kuelestoffanod an eng Titankathod un eng Stroumversuergung mat konstanter Spannung ugeschloss (Gläichstroum). D’Titanelektrod an d’Kuelestoffelektrod sinn inert. De Waasserstoffgas an de Sauerstoffgas, déi bei der Elektrolys vun der verdënnter Schwiefelsaier produzéiert ginn, ginn an dësem Opbau net gesammelt. De Video hei ënne weist dëse ganz einfachen Opbau am Betrib.
Wat geschitt wärend der Elektrolys?
D’Waasserstoffione gi vun der negativer Kathod ugezunn. Do ginn de Waasserstoffion oder d’Waassermoleküllen duerch d’Opnam vun Elektronen zu Waasserstoffgasmolekülle reduzéiert. Als Resultat gi Waasserstoffgasmoleküllen als Waasserstoffgas fräigesat. D’Elektrolys vu ville reaktive Metallsalzer oder Saierléisunge produzéiert Waasserstoff un der negativer Kathodenelektrod.
Déi negativ Sulfationen oder d’Spuere vun Hydroxidione gi vun der positiver Anod ugezunn. De Sulfation selwer ass ze stabil, soudatt näischt geschitt. Hydroxidionen oder Waassermolekülle ginn un der Anod entlueden an oxidéiert, woubäi Sauerstoff entsteet. Dës Reaktioun un der positiver Anod ass eng oxidativ Elektrodenreaktioun duerch d’Ofgi vun Elektronen.
Firwat benotze mir verdënnte Schwiefelsaier?
Waasser enthält nëmme ganz kleng Konzentratioune vu Waasserstoffionen an Hydroxidionen. Dëst limitéiert d’elektresch Leetfäegkeet. Héich Konzentratioune vu Waasserstoffionen a Sulfationen aus der verdënnter Schwiefelsaier verbesseren d’elektresch Leetfäegkeet vum Elektrolyt. Alternativ kënnt Dir eng alkalesch Elektrolytléisung, wéi Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NAOH), a Waasser benotzen. D’Elektrolys vu ville Léisunge vu Salzer oder Schwiefelsaier produzéiert Waasserstoff un der negativer Kathod a Sauerstoff un der positiver Anod. D’Elektrolys vu Salzsaier oder Chloridsalzer produzéiert Chlor un der Anod.
Wat ass en Elektrolyseur?
En Elektrolyseur ass en Apparat, dee Waasser an engem Prozess, deen Elektrolys genannt gëtt, a Waasserstoff a Sauerstoff opspléckt. Den Elektrolyseur benotzt elektresche Stroum, fir Waasserstoffgas a Sauerstoffgas ze produzéieren. De Waasserstoffgas kann als kompriméierten oder verflëssegte Gas gespäichert ginn. Waasserstoff ass en Energiedréier fir den Asaz a Waasserstoffbrennstoffzellen an Autoen, Zich, Bussen oder Camionen.
En einfachen Elektrolyseur enthält eng Kathod (negativ Ladung) an eng Anod (positiv Ladung) souwéi peripher Komponente wéi Pompelen, Entlüftungen, Späicherbehälter, eng Stroumversuergung, e Separator an aner Komponenten. D’Waasserelektrolys ass eng elektrochemesch Reaktioun, déi am Elektrolyseur stattfënnt. D’Anod an d’Kathod gi mat Gläichstroum versuergt, an d’Waasser (H20) gëtt a seng Bestanddeeler Waasserstoff (H2) a Sauerstoff (O2) opgespléckt.
Literatur / Referenzen
- 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.