Sonoelektrolityczna produkcja wodoru z rozcieńczonego kwasu siarkowego
Elektroliza rozcieńczonego kwasu siarkowego wytwarza gazowy wodór i gazowy tlen. Ultradźwięki zmniejszają grubość warstwy dyfuzyjnej na powierzchni elektrody i poprawiają przenoszenie masy podczas elektrolizy. Ultradźwięki mogą znacznie zwiększyć szybkość produkcji wodoru w ogniwie elektrolitycznym.
Poniżej opisano dwie konfiguracje eksperymentalne z anodą węglową i katodą tytanową. Aby zademonstrować pozytywny wpływ ultradźwięków na elektrolizę, 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 wykorzystywane w sonoelektrochemii, sonoelektrolizie i sonoelektrosyntezie.
Homogenizator ultradźwiękowy Hielscher UP100H (100 W, 30 kHz) jest wyposażony w ulepszenie sonoelektrochemiczne. Pozwala to na wykorzystanie sonotrody jako katody lub anody w procesie elektrolitycznym. Aby uzyskać informacje na temat przemysłowych konfiguracji sonoelektrolitycznych, kliknij tutaj!
Katoda sonoelektryczna w procesorze ultradźwiękowym UP100H
Konfiguracja sonoelektrolizy 1 – Niepodzielone ogniwo typu H
Konfiguracja wykorzystuje rozcieńczony kwas siarkowy (H2SO4, 1,0M). Niepodzielne ogniwo typu H jest wypełnione elektrolitem. Ogniwo to znane jest jako woltametr Hofmanna. Składa się ono z trzech połączonych pionowych szklanych cylindrów. Wewnętrzny cylinder jest otwarty u góry, aby umożliwić napełnienie 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 nogami w roztworze zakwaszonej wody. Dodatnia elektroda anodowa wykonana jest z węgla (8 mm). Katodą ujemną jest tytanowa sonoelektroda ultradźwiękowa (10 mm, specjalna sonotroda o dużej powierzchni, Hielscher UP100H, 100 W, 30 kHz). Tytanowa sonoelektroda i elektroda węglowa są obojętne. Elektroliza zachodzi tylko wtedy, gdy energia elektryczna przepływa przez rozcieńczony roztwór kwasu siarkowego. Dlatego anoda węglowa i katoda tytanowa są podłączone do źródła zasilania o stałym napięciu (prąd stały).
Wodór i tlen wytwarzane podczas elektrolizy rozcieńczonego kwasu siarkowego są gromadzone w wyskalowanych rurkach zewnętrznych nad każdą elektrodą. Objętość gazu wypiera elektrolit w zewnętrznych rurkach, a objętość dodatkowego gazu można zmierzyć. Teoretyczny stosunek objętości gazu wynosi 2:1. Podczas elektrolizy z elektrolitu usuwana jest tylko woda w postaci wodoru i tlenu. W związku z tym stężenie rozcieńczonego kwasu siarkowego nieznacznie wzrasta podczas elektrolizy.
Poniższy film przedstawia sonoelektrolizę rozcieńczonego kwasu siarkowego przy użyciu ultradźwięków impulsowych (100% amplitudy, tryb cykliczny, 0,2 sekundy włączenia, 0,8 sekundy wyłączenia). Oba testy zostały przeprowadzone przy napięciu 2,1 V (DC, stałe napięcie).
Konfiguracja sonoelektrolizy 2 – Prosty wsad
Szklane naczynie jest wypełnione elektrolitem 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 (8 mm). Ujemna katoda to tytanowa ultradźwiękowa sonoelektroda (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 W, 30 kHz). Elektroliza zachodzi tylko wtedy, gdy energia elektryczna przepływa przez rozcieńczony roztwór kwasu siarkowego. Dlatego anoda węglowa i katoda tytanowa są podłączone do źródła zasilania o stałym napięciu (prąd stały). Elektroda tytanowa i węglowa są obojętne. Wodór i tlen wytwarzane podczas elektrolizy rozcieńczonego kwasu siarkowego nie są gromadzone w tym układzie. Poniższy film przedstawia działanie tej bardzo prostej konfiguracji.
Co dzieje się podczas elektrolizy?
Jony wodoru są przyciągane do ujemnej katody. Tam jony wodoru lub cząsteczki wody są redukowane do cząsteczek wodoru gazowego poprzez wzmocnienie elektronów. W rezultacie cząsteczki wodoru są uwalniane w postaci gazowego wodoru. 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 odprowadzane i utleniane na anodzie, tworząc tlen. Ta reakcja anody dodatniej jest reakcją elektrody utleniającej poprzez utratę elektronów.
Dlaczego używamy rozcieńczonego kwasu siarkowego?
Woda zawiera jedynie niewielkie stężenia jonów wodorowych i wodorotlenkowych. Ogranicza to przewodność elektryczną. Wysokie stężenie jonów wodorowych i siarczanowych pochodzących 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 ujemnej katodzie i tlen na dodatniej anodzie. W wyniku elektrolizy kwasu solnego lub soli chlorkowych na anodzie powstaje chlor.
Czym jest elektrolizer?
Elektrolizer to urządzenie służące do rozdzielania wody na wodór i tlen w procesie znanym jako elektroliza. Elektrolizer wykorzystuje energię elektryczną do produkcji wodoru i tlenu. Wodór może być przechowywany w postaci sprężonej lub skroplonej. 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, otwory wentylacyjne, zbiorniki magazynowe, zasilacz, separator i inne komponenty. Elektroliza wody to reakcja elektrochemiczna zachodząca w elektrolizerze. Anoda i katoda są zasilane prądem stałym, a woda (H20) jest dzielona na składniki: wodór (H2) i tlen (O2).
Literatura / Referencje
- 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.