Ūdeņraža iegūšana no atšķaidītas sērskābes ar sonoelektrolīzi
Atšķaidītas sērskābes elektrolīzē rodas gāzveida ūdeņradis un skābeklis. Apstrāde ar ultraskaņu samazina difūzijas slāņa biezumu pie elektroda virsmas un uzlabo masas pārnesi elektrolīzes laikā. Apstrāde ar ultraskaņu var ievērojami palielināt gāzveida ūdeņraža iegūšanas ātrumu elektrolīzes šūnā.
Tālāk ir aprakstītas divas eksperimentālās iekārtas ar oglekļa anodu un titāna katodu. Lai parādītu apstrādes ar ultraskaņu pozitīvo ietekmi uz elektrolīzi, titāna katods ir sonoelektrods. Tādējādi elektrolītiskā ūdeņraža un skābekļa iegūšana no atšķaidītas sērskābes tiek papildināta ar ultraskaņas svārstībām un kavitāciju. Ultraskaņas un elektrības kombināciju izmanto sonoelektroķīmijā, sonoelektrolīzē un sonoelektrosintēzē.
Hielscher ultraskaņas homogenizators UP100H (100 vati, 30kHz) ir aprīkots ar sonoelektroķīmijas papildaprīkojumu. Tas ļauj izmantot sonotrodi kā katodu vai anodu elektrolītiskā procesā. Lai uzzinātu par rūpnieciskajām sonoelektrolīzes iekārtām, noklikšķiniet šeit!
Sonoelektriskais katods uz UP100H ultraskaņas procesora
Sonoelektrolīzes iekārta 1 – H tipa šūna bez nodalījuma
Iekārtā izmanto atšķaidītu sērskābi (H2SO4, 1,0M). H tipa šūnu bez nodalījuma piepilda ar elektrolītu. Šī šūna ir pazīstama kā Hofmaņa voltametrs. Tai ir trīs savstarpēji savienoti vertikāli stikla cilindri. Vidējais cilindrs augšpusē ir atvērts, lai to varētu piepildīt ar elektrolītu. Atverot vārstus ārējo cauruļu augšpusē, piepildīšanas laikā var izplūst visas gāzes. Elektrolīzes šūnā elektrodi ir noblīvēti ar gumijas gredzeniem un iegremdēti paskābināta ūdens šķīdumā ar augšgalu uz leju. Pozitīvais anoda elektrods ir izgatavots no oglekļa (8mm). Negatīvais katods ir titāna ultraskaņas sonoelektrods (10mm, īpaša sonotrode ar lielu virsmas laukumu, Hielscher UP100H, 100 vati, 30kHz). Titāna sonoelektrods un oglekļa elektrods ir inerti. Elektrolīze notiek tikai tad, ja caur atšķaidītas sērskābes šķīdumu plūst elektriskā strāva. Tāpēc oglekļa anods un titāna katods ir pievienoti pastāvīga sprieguma barošanas avotam (līdzstrāva).
Gāzveida ūdeņradi un skābekli, kas rodas atšķaidītas sērskābes elektrolīzē, savāc graduētajās ārējās caurulēs virs katra elektroda. Gāzes tilpums izspiež elektrolītu ārējās caurulēs, un var izmērīt papildus radušās gāzes tilpumu. Teorētiskā gāzu tilpumu attiecība ir 2:1. Elektrolīzes laikā no elektrolīta tiek izvadīts tikai ūdens gāzveida ūdeņraža un skābekļa veidā. Tāpēc atšķaidītās sērskābes koncentrācija elektrolīzes laikā nedaudz palielinās.
Tālāk redzamajā video ir parādīta atšķaidītas sērskābes sonoelektrolīze, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu impulsu režīmā (100% amplitūda, ciklisks režīms, 0,2 sekundes ieslēgta, 0,8 sekundes izslēgta). Abi izmēģinājumi tika veikti pie 2,1V (līdzstrāva, pastāvīgs spriegums).
Sonoelektrolīzes iekārta 2 – vienkārša periodiskas darbības iekārta
Stikla trauku piepilda ar elektrolītu – atšķaidītu sērskābi (H2SO4, 1,0M). Šajā vienkāršajā elektrolīzes šūnā elektrodi ir iegremdēti paskābināta ūdens šķīdumā. Pozitīvais anoda elektrods ir izgatavots no oglekļa (8mm). Negatīvais katods ir titāna ultraskaņas sonoelektrods (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vati, 30kHz). Elektrolīze notiek tikai tad, ja caur atšķaidītas sērskābes šķīdumu plūst elektriskā strāva. Tāpēc oglekļa anods un titāna katods ir pievienoti pastāvīga sprieguma barošanas avotam (līdzstrāva). Titāna elektrods un oglekļa elektrods ir inerti. Šajā iekārtā gāzveida ūdeņradi un skābekli, kas rodas atšķaidītas sērskābes elektrolīzē, nesavāc. Tālāk redzamajā video ir parādīta šīs ļoti vienkāršās iekārtas darbība.
Kas notiek elektrolīzes laikā?
Ūdeņraža jonus pievelk negatīvais katods. Tur ūdeņraža jons vai ūdens molekulas, pievienojot elektronus, reducējas līdz gāzveida ūdeņraža molekulām. Rezultātā ūdeņraža molekulas izdalās gāzveida ūdeņraža veidā. Daudzu reaģētspējīgu metālu sāļu vai skābju šķīdumu elektrolīzē pie negatīvā katoda elektroda rodas ūdeņradis.
Negatīvos sulfātjonus vai nelielā daudzumā esošos hidroksīdjonus pievelk pozitīvais anods. Pats sulfātjons ir pārāk stabils, tāpēc ar to nekas nenotiek. Hidroksīdjoni vai ūdens molekulas izlādējas un oksidējas pie anoda, veidojot skābekli. Šī pozitīvā anoda reakcija ir oksidēšanās reakcija uz elektroda, kurā tiek atdoti elektroni.
Kāpēc mēs izmantojam atšķaidītu sērskābi?
Ūdens satur ūdeņraža jonus un hidroksīdjonus tikai niecīgā koncentrācijā. Tas ierobežo elektrovadītspēju. Augsta ūdeņraža jonu un sulfātjonu koncentrācija, ko nodrošina atšķaidītā sērskābe, uzlabo elektrolīta elektrovadītspēju. Kā alternatīvu var izmantot sārmainu elektrolīta šķīdumu, piemēram, kālija hidroksīdu (KOH) vai nātrija hidroksīdu (NAOH), un ūdeni. Daudzu sāļu vai sērskābes šķīdumu elektrolīzē pie negatīvā katoda rodas ūdeņradis, bet pie pozitīvā anoda – skābeklis. Sālsskābes vai hlorīdu elektrolīzē pie anoda rodas hlors.
Kas ir elektrolīzeris?
Elektrolīzeris ir ierīce ūdens sadalīšanai ūdeņradī un skābeklī procesā, ko sauc par elektrolīzi. Elektrolīzeris izmanto elektrību, lai iegūtu gāzveida ūdeņradi un skābekli. Gāzveida ūdeņradi var uzglabāt kā saspiestu vai sašķidrinātu gāzi. Ūdeņradis ir enerģijas nesējs izmantošanai ūdeņraža kurināmā elementos automobiļos, vilcienos, autobusos vai kravas automobiļos.
Vienkāršs elektrolīzeris ietver katodu (negatīvs lādiņš), anodu (pozitīvs lādiņš) un palīgkomponentus, piemēram, sūkņus, gāzu izvadus, uzglabāšanas tvertnes, barošanas avotu, separatoru un citus komponentus. Ūdens elektrolīze ir elektroķīmiska reakcija, kas notiek elektrolīzerī. Anodam un katodam pievada līdzstrāvu, un ūdens (H20) tiek sadalīts tā sastāvdaļās – ūdeņradī (H2) un skābeklī (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.