Sonoelektrolityczna produkcja wodoru z rozcieńczonego kwasu siarkowego
W wyniku elektrolizy rozcieńczonego kwasu siarkowego powstaje gazowy wodór i gazowy tlen. Ultrasonikowanie zmniejsza grubość warstwy dyfuzyjnej na powierzchni elektrody i poprawia przenoszenie masy podczas elektrolizy. Ultrasonikacja może znacznie zwiększyć produkcję wodoru w ogniwie elektrolitycznym.
Poniżej opisano dwa układy doświadczalne z anodą węglową i katodą tytanową. W celu zademonstrowania pozytywnego wpływu ultradźwięków na proces elektrolizy, katoda tytanowa jest sonoelektrodą. Dodaje to wibracje ultradźwiękowe i kawitację do elektrolitycznej produkcji wodoru i tlenu z rozcieńczonego kwasu siarkowego. Połączenie ultradźwięków z elektrycznością jest stosowane w sonoelektrochemii, sonoelektrolizie i sonoelektrosyntezie.
Homogenizator ultradźwiękowy UP100H (100W, 30kHz) firmy Hielscher wyposażony jest w przystawkę sonoelektrochemiczną. Pozwala to na wykorzystanie sonotrody jako katody lub anody w procesie elektrolitycznym. Aby zobaczyć przemysłowe zestawy sonoelektrolityczne, proszę kliknąć tutaj!
Katoda sonoelektryczna w procesorze ultradźwiękowym UP100H
Konfiguracja sonoelektrolizy 1 – Komórka niepodzielona typu H
W instalacji użyto rozcieńczonego kwasu siarkowego (H2SO4, 1.0M). Elektrolitem wypełnione jest niepodzielne ogniwo typu H. Ogniwo to nazywane jest woltomierzem Hofmanna. Ogniwo to znane jest jako woltomierz Hofmanna. Posiada ono trzy połączone pionowe cylindry szklane. Wewnętrzny cylinder jest otwarty u góry, aby umożliwić napełnienie go elektrolitem. Otwarcie zaworów w górnej części zewnętrznych rurek umożliwia ulatnianie się gazu podczas napełniania. W ogniwie elektrolitycznym elektrody są uszczelnione gumowymi pierścieniami i zanurzone do góry dnem w roztworze zakwaszonej wody. Dodatnia elektroda anodowa wykonana jest z węgla (8mm). Katodę ujemną stanowi tytanowa sonoelektroda ultradźwiękowa (10mm, specjalna sonotroda o dużej powierzchni, Hielscher UP100H, 100W, 30kHz). Sonoelektroda tytanowa i elektroda węglowa są obojętne. Elektroliza będzie zachodziła tylko wtedy, gdy prąd elektryczny będzie przepuszczany przez rozcieńczony roztwór kwasu siarkowego. Dlatego anoda węglowa i katoda tytanowa są podłączone do źródła zasilania o stałym napięciu (prąd stały).
Wodór i tlen wytworzony w procesie elektrolizy rozcieńczonego kwasu siarkowego jest gromadzony w zewnętrznych rurkach z podziałką, znajdujących się nad każdą elektrodą. Objętość gazu wypiera elektrolit w rurkach zewnętrznych, a objętość dodatkowego gazu może być mierzona. Teoretyczny stosunek objętości gazu wynosi 2:1. Podczas elektrolizy z elektrolitu usuwana jest tylko woda w postaci wodoru i tlenu. Dlatego też stężenie rozcieńczonego kwasu siarkowego nieznacznie wzrasta podczas elektrolizy.
Poniższy film przedstawia sonoelektrolizę rozcieńczonego kwasu siarkowego przy użyciu pulsacyjnej ultradźwiękowej stymulacji (100% amplitudy, tryb cykliczny, 0,2 sekundy włączone, 0,8 sekundy wyłączone). Oba testy zostały przeprowadzone przy napięciu 2,1V (DC, stałe napięcie).
Konfiguracja sonoelektrolizy 2 – Prosty wsad
Naczynie szklane wypełnione jest elektrolitem w postaci rozcieńczonego kwasu siarkowego (H2SO4, 1.0M). W tym prostym ogniwie elektrolitycznym elektrody są zanurzone w roztworze zakwaszonej wody. Dodatnia elektroda anodowa wykonana jest z węgla (8mm). Katodę ujemną stanowi tytanowa sonoelektroda ultradźwiękowa (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100W, 30kHz). Elektroliza będzie zachodziła tylko wtedy, gdy prąd elektryczny będzie przepuszczany przez rozcieńczony roztwór kwasu siarkowego. Dlatego też, anoda węglowa i katoda tytanowa są podłączone do źródła zasilania o stałym napięciu (prąd stały). Elektroda tytanowa i elektroda węglowa są obojętne. Wodór i tlen powstające w procesie elektrolizy rozcieńczonego kwasu siarkowego nie są zbierane w tym układzie. Poniższy film pokazuje działanie tego bardzo prostego urządzenia.
Co się dzieje podczas elektrolizy?
Jony wodoru są przyciągane do ujemnej katody. Tam jony wodorowe lub cząsteczki wody są redukowane do cząsteczek gazu wodorowego poprzez zysk elektronów. W wyniku tego cząsteczki wodoru są odprowadzane jako gaz wodorowy. Elektroliza wielu reaktywnych soli metali lub roztworów kwasów wytwarza wodór 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 nie dzieje. Jony wodorotlenkowe lub cząsteczki wody są wyładowywane i utleniane na anodzie w celu utworzenia tlenu. Ta reakcja na anodzie dodatniej jest reakcją utleniania elektrody przez utratę elektronu.
Dlaczego używamy rozcieńczonego kwasu siarkowego?
Woda zawiera jedynie niewielkie stężenia jonów wodorowych i wodorotlenkowych. Ogranicza to przewodność elektryczną. Wysokie stężenie jonów wodorowych i jonów siarczanowych z rozcieńczonego kwasu siarkowego poprawia przewodność elektryczną elektrolitu. Alternatywnie, można użyć alkalicznego roztworu elektrolitu, takiego jak wodorotlenek potasu (KOH) lub wodorotlenek sodu (NAOH), oraz wody. Elektroliza wielu roztworów soli lub kwasu siarkowego wytwarza wodór na katodzie ujemnej i tlen na anodzie dodatniej. Elektroliza kwasu solnego lub soli chlorkowych wytwarza chlor na anodzie.
Co to jest elektrolizer?
Elektrolizer jest urządzeniem służącym do rozdzielania wody na wodór i tlen w procesie zwanym elektrolizą. Elektrolizer wykorzystuje energię elektryczną do produkcji wodoru i tlenu. Wodór może być przechowywany 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 peryferyjne, takie jak pompy, odpowietrzniki, zbiorniki magazynowe, zasilacz, separator i inne elementy. Elektroliza wody jest reakcją elektrochemiczną, która zachodzi w elektrolizerze. Anoda i katoda są zasilane prądem stałym, a woda (H20) jest dzielona na składniki: wodór (H2) i tlen (O2).
Literatura / materiały źródłowe
- 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.