Sonoelektrolītiskā ūdeņraža ražošana no atšķaidītas sērskābes
Atšķaidītas sērskābes elektrolīze rada ūdeņraža gāzi un skābekļa gāzi. Ultrasonication samazina difūzijas slāņa biezumu pie elektroda virsmas un uzlabo masas pārnesi elektrolīzes laikā. Ultrasonication var ievērojami palielināt ūdeņraža gāzes ražošanas ātrumu elektrolītiskajā šūnā.
Turpmāk aprakstīti divi eksperimentāli uzstādījumi ar oglekļa anodu un titāna katodu. Lai pierādītu ultrasonication pozitīvo ietekmi uz elektrolīzi, titāna katods ir sonoelectrode. Tas pievieno ultraskaņas vibrācijas un kavitāciju ūdeņraža un skābekļa elektrolītiskajai ražošanai no atšķaidītas sērskābes. Ultraskaņas kombinācija ar elektrību tiek izmantota sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis un sonoelectrosynthesis.
Hielscher ultraskaņas homogenizators UP100H (100 vati, 30kHz) ir aprīkots ar sonoelectrochemical jauninājumu. Tas ļauj izmantot sonotrodu kā katodu vai anodu elektrolītiskā procesā. Lai iegūtu rūpnieciskos sonoelectrolytic iestatījumus, lūdzu, noklikšķiniet šeit!
Sonoelectrolīzes iestatīšana 1 – H tipa nedalīta šūna
Iestatījumos tiek izmantota atšķaidīta sērskābe (H2SO4, 1,0M). H tipa nedalīta šūna ir piepildīta ar elektrolītu. Šī šūna ir pazīstama kā Hofmann Voltameter. Tam ir trīs savienoti vertikāli stikla cilindri. Iekšējais cilindrs ir atvērts augšpusē, lai to varētu piepildīt ar elektrolītu. Vārstu atvēršana ārējo cauruļu augšpusē ļauj jebkurai gāzei izplūst uzpildes laikā. Elektrolītiskajā šūnā elektrodi tiek noslēgti ar gumijas gredzeniem un iegremdēti otrādi paskābināta ūdens šķīdumā. Pozitīvais anoda elektrods ir izgatavots no oglekļa (8mm). Negatīvais katods ir titāna ultraskaņas sonoelectrode (10mm, īpašs augstas virsmas laukums sonotrode, Hielscher UP100H, 100 vati, 30kHz). Titāna sonoelectrode un oglekļa elektrods ir inerti. Elektrolīze notiks tikai tad, kad elektrība tiks izvadīta caur atšķaidītu sērskābes šķīdumu. Tāpēc oglekļa anods un titāna katods ir savienoti ar pastāvīga sprieguma barošanas avotu (līdzstrāvu).
Ūdeņraža gāzi un skābekļa gāzi, kas rodas atšķaidītas sērskābes elektrolīzē, savāc graduētās ārējās caurulēs virs katra elektroda. Gāzes tilpums izspiež elektrolītu ārējās caurulēs, un var izmērīt papildu gāzes tilpumu. Gāzes tilpuma teorētiskā attiecība ir 2:1. Elektrolīzes laikā no elektrolīta tiek izvadīts tikai ūdens kā ūdeņraža gāze un skābekļa gāze. Tādējādi atšķaidītās sērskābes koncentrācija elektrolīzes laikā nedaudz palielinās.
Zemāk redzamais video parāda atšķaidītas sērskābes sonoelektrolīzi, izmantojot pulsējošu ultrasonikāciju (100% amplitūda, cikla režīms, 0,2 sekundes ieslēgtas, 0,8 sekundes izslēgtas). Abi testi tika veikti ar 2,1 V (līdzstrāva, nemainīgs spriegums).
Sonoelectrolysis iestatīšana 2 – Vienkārša partija
Stikla trauku piepilda ar atšķaidītas sērskābes elektrolītu (H2SO4, 1,0M). Šajā vienkāršajā elektrolītiskajā šūnā elektrodi tiek iegremdēti paskābinātā ūdens šķīdumā. Pozitīvais anoda elektrods ir izgatavots no oglekļa (8mm). Negatīvais katods ir titāna ultraskaņas sonoelectrode (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vati, 30kHz). Elektrolīze notiks tikai tad, kad elektrība tiks izvadīta caur atšķaidītu sērskābes šķīdumu. Tāpēc oglekļa anods un titāna katods ir savienoti ar pastāvīga sprieguma barošanas avotu (līdzstrāvu). Titāna elektrods un oglekļa elektrods ir inerti. Ūdeņraža gāze un skābekļa gāze, kas rodas atšķaidītas sērskābes elektrolīzē, šajā iestatījumā netiek savākta. Zemāk redzamajā videoklipā parādīts šis ļoti vienkāršais iestatījums darbībā.
Kas notiek elektrolīzes laikā?
Ūdeņraža jonus piesaista negatīvais katods. Tur ūdeņraža jonu vai ūdens molekulas tiek reducētas līdz ūdeņraža gāzes molekulām ar elektronu pastiprinājumu. Tā rezultātā ūdeņraža gāzes molekulas tiek izvadītas kā ūdeņraža gāze. Daudzu reaktīvo metālu sāļu vai skābes šķīdumu elektrolīze rada ūdeņradi pie negatīvā katoda elektroda.
Pozitīvajam anodam piesaista negatīvos sulfāta jonus vai hidroksīda jonu pēdas. Pats sulfāta jons ir pārāk stabils, lai nekas nenotiktu. Hidroksīda joni vai ūdens molekulas tiek izvadītas un oksidētas pie anoda, veidojot skābekli. Šī pozitīvā anoda reakcija ir oksidācijas elektroda reakcija ar elektronu zudumu.
Kāpēc mēs izmantojam atšķaidītu sērskābi?
Ūdens satur tikai ūdeņraža jonu un hidroksīda jonu minūtes koncentrācijas. Tas ierobežo elektrisko vadītspēju. Augstas ūdeņraža jonu un sulfātu jonu koncentrācijas no atšķaidītas sērskābes uzlabo elektrolīta elektrisko vadītspēju. Varat arī izmantot sārmainu elektrolītu šķīdumu, piemēram, kālija hidroksīdu (KOH) vai nātrija hidroksīdu (NAOH) un ūdeni. Daudzu sāļu vai sērskābes šķīdumu elektrolīze rada ūdeņradi pie negatīvā katoda un skābekļa pie pozitīvā anoda. Sālsskābes vai hlorīda sāļu elektrolīze anodā rada hloru.
Kas ir elektrolizators?
Elektrolizators ir ierīce ūdens atdalīšanai ūdeņradī un skābeklī procesā, kas pazīstams kā elektrolīze. Elektrolizators izmanto elektrību, lai ražotu ūdeņraža gāzi un skābekļa gāzi. Ūdeņraža gāzi var uzglabāt kā saspiestu vai sašķidrinātu gāzi. Ūdeņradis ir enerģijas nesējs, ko izmanto ūdeņraža degvielas elementā automašīnās, vilcienos, autobusos vai kravas automašīnās.
Pamata elektrolizators satur katodu (negatīvu lādiņu) un anodu (pozitīvu lādiņu) un perifērijas komponentus, piemēram, sūkņus, ventilācijas atveres, uzglabāšanas tvertnes, barošanas avotu, separatoru un citas sastāvdaļas. Ūdens elektrolīze ir elektroķīmiska reakcija, kas notiek elektrolizatorā. Anodu un katodu darbina ar līdzstrāvu, un ūdens (H20) tiek sadalīts tā sastāvdaļās ūdeņradis (H2) un skābeklis (O2).
Literatūra / Atsauces
- 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.