Sonoelektrolityczna produkcja wodoru z rozcieńczonego kwasu siarkowego
Elektroliza rozcieńczonego kwasu siarkowego prowadzi do powstawania gazowego wodoru i gazowego tlenu. Sonikacja zmniejsza grubość warstwy dyfuzyjnej na powierzchni elektrody i poprawia transport masy podczas elektrolizy. Sonikacja może znacznie zwiększyć szybkość produkcji gazowego wodoru w komórce elektrolitycznej.
Poniżej opisano dwa układy doświadczalne z anodą węglową i katodą tytanową. Aby wykazać pozytywny wpływ sonikacji na elektrolizę, jako katodę tytanową zastosowano sonoelektrodę. Wprowadza ona drgania ultradźwiękowe i kawitację do elektrolitycznej produkcji wodoru i tlenu z rozcieńczonego kwasu siarkowego. Połączenie ultradźwięków z prądem elektrycznym jest wykorzystywane w sonoelektrochemii, sonoelektrolizie i sonoelektrosyntezie.
Homogenizator ultradźwiękowy Hielscher UP100H (100 watów, 30kHz) jest wyposażony w rozszerzenie do zastosowań sonoelektrochemicznych. Umożliwia ono wykorzystanie sonotrody jako katody lub anody w procesie elektrolitycznym. Kliknij tutaj, aby zapoznać się z przemysłowymi układami do sonoelektrolizy!
Katoda sonoelektryczna w procesorze ultradźwiękowym UP100H
Układ do sonoelektrolizy 1 – komórka typu H bez przegrody
W układzie stosuje się rozcieńczony kwas siarkowy (H2SO4, 1,0M). Komórkę typu H bez przegrody wypełnia się elektrolitem. Komórka ta jest znana jako woltametr Hofmanna. Składa się z trzech połączonych pionowych szklanych cylindrów. Środkowy cylinder jest otwarty u góry, co umożliwia napełnianie elektrolitem. Otwarcie zaworów u góry zewnętrznych rurek umożliwia ujście wszelkich gazów podczas napełniania. W komórce elektrolitycznej elektrody są uszczelnione gumowymi pierścieniami i zanurzone do góry nogami w roztworze zakwaszonej wody. Dodatnia elektroda anodowa jest wykonana z węgla (8mm). Ujemna katoda to tytanowa sonoelektroda ultradźwiękowa (10mm, specjalna sonotroda o dużej powierzchni, Hielscher UP100H, 100 watów, 30kHz). Tytanowa sonoelektroda i elektroda węglowa są obojętne chemicznie. Elektroliza zachodzi wyłącznie wtedy, gdy przez roztwór rozcieńczonego kwasu siarkowego przepływa prąd elektryczny. Dlatego anoda węglowa i katoda tytanowa są podłączone do zasilacza o stałym napięciu (prąd stały).
Gazowy wodór i gazowy tlen powstające podczas elektrolizy rozcieńczonego kwasu siarkowego są zbierane w zewnętrznych rurkach z podziałką nad każdą elektrodą. Gaz wypiera elektrolit z zewnętrznych rurek, a objętość dodatkowo powstałego gazu można zmierzyć. Teoretyczny stosunek objętości gazów wynosi 2:1. Podczas elektrolizy z elektrolitu usuwana jest wyłącznie woda w postaci gazowego wodoru i gazowego tlenu. Dlatego stężenie rozcieńczonego kwasu siarkowego nieznacznie wzrasta podczas elektrolizy.
Poniższy film przedstawia sonoelektrolizę rozcieńczonego kwasu siarkowego z zastosowaniem sonikacji impulsowej (amplituda 100%, tryb cykliczny, 0,2 sekundy włączenia, 0,8 sekundy wyłączenia). Obie próby przeprowadzono przy napięciu 2,1V (prąd stały, stałe napięcie).
Układ do sonoelektrolizy 2 – prosty układ okresowy
Szklane naczynie wypełnia się elektrolitem w postaci rozcieńczonego kwasu siarkowego (H2SO4, 1,0M). W tej prostej komórce elektrolitycznej elektrody są zanurzone w roztworze zakwaszonej wody. Dodatnia elektroda anodowa jest wykonana z węgla (8mm). Ujemna katoda to tytanowa sonoelektroda ultradźwiękowa (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watów, 30kHz). Elektroliza zachodzi wyłącznie wtedy, gdy przez roztwór rozcieńczonego kwasu siarkowego przepływa prąd elektryczny. Dlatego anoda węglowa i katoda tytanowa są podłączone do zasilacza o stałym napięciu (prąd stały). Elektroda tytanowa i elektroda węglowa są obojętne chemicznie. Gazowy wodór i gazowy tlen powstające podczas elektrolizy rozcieńczonego kwasu siarkowego nie są zbierane w tym układzie. Poniższy film przedstawia działanie tego bardzo prostego układu.
Co dzieje się podczas elektrolizy?
Jony wodoru są przyciągane do ujemnej katody. Tam jony wodoru lub cząsteczki wody ulegają redukcji do cząsteczek gazowego wodoru przez przyjęcie elektronów. W rezultacie cząsteczki wodoru wydzielają się w postaci gazowego wodoru. Elektroliza wielu soli metali reaktywnych lub roztworów kwasów prowadzi do powstawania wodoru na ujemnej elektrodzie katodowej.
Ujemne jony siarczanowe lub śladowe ilości jonów wodorotlenkowych są przyciągane do dodatniej anody. Sam jon siarczanowy jest zbyt stabilny, więc nic się z nim nie dzieje. Jony wodorotlenkowe lub cząsteczki wody ulegają rozładowaniu i utlenieniu na anodzie, tworząc tlen. Ta reakcja na dodatniej anodzie jest elektrodową reakcją utleniania zachodzącą przez oddanie elektronów.
Dlaczego stosujemy rozcieńczony kwas siarkowy?
Woda zawiera jony wodoru i jony wodorotlenkowe jedynie w bardzo małych stężeniach. Ogranicza to przewodnictwo elektryczne. Wysokie stężenia jonów wodoru i jonów siarczanowych pochodzących z rozcieńczonego kwasu siarkowego poprawiają przewodnictwo elektryczne elektrolitu. Alternatywnie można zastosować roztwór elektrolitu zasadowego, na przykład wodorotlenku potasu (KOH) lub wodorotlenku sodu (NAOH), oraz wodę. Elektroliza wielu roztworów soli lub kwasu siarkowego prowadzi do powstawania wodoru na ujemnej katodzie i tlenu na dodatniej anodzie. Elektroliza kwasu solnego lub soli chlorkowych prowadzi do powstawania chloru na anodzie.
Czym jest elektrolizer?
Elektrolizer to urządzenie do rozkładu wody na wodór i tlen w procesie znanym jako elektroliza. Elektrolizer wykorzystuje energię elektryczną do produkcji gazowego wodoru i gazowego tlenu. Gazowy wodór można przechowywać jako gaz sprężony lub skroplony. Wodór jest nośnikiem energii wykorzystywanym w wodorowych ogniwach paliwowych w samochodach, pociągach, autobusach lub ciężarówkach.
Podstawowy elektrolizer zawiera katodę (ładunek ujemny) i anodę (ładunek dodatni) oraz elementy pomocnicze, takie jak pompy, odpowietrzniki, zbiorniki magazynowe, zasilacz, separator i inne elementy. Elektroliza wody jest reakcją elektrochemiczną zachodzącą wewnątrz elektrolizera. Anoda i katoda są zasilane prądem stałym, a woda (H20) jest rozkładana na swoje składniki: wodór (H2) i tlen (O2).
Literatura / Źródła
- 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.