Produção Sonoelectrolítica de Hidrogénio a partir de Ácido Sulfúrico Diluído
A eletrólise do ácido sulfúrico diluído produz hidrogénio gasoso e oxigénio gasoso. Ultrasonication reduz a espessura da camada de difusão na superfície do elétrodo e melhora a transferência de massa durante a eletrólise. Ultrassom pode aumentar as taxas de produção de gás hidrogénio na célula electrolítica, significativamente.
Em seguida, descrevem-se duas configurações experimentais com um ânodo de carbono e um cátodo de titânio. Para demonstrar os efeitos positivos de ultra-sons sobre a eletrólise, o cátodo de titânio é um sonoelectrodo. Isto adiciona vibrações ultra-sónicas e cavitação para a produção electrolítica de hidrogénio e oxigénio a partir de ácido sulfúrico diluído. A combinação de ultra-sons com eletricidade é utilizada em sonoelectroquímica, sonoelectrólise e sonoelectrossíntese.
O homogeneizador ultrassónico Hielscher UP100H (100 watts, 30kHz) está equipado com uma atualização sonoelectroquímica. Isto permite a utilização do sonotrodo como um cátodo ou ânodo em um processo eletrolítico. Para configurações sonoelectrolíticas industriais, clique aqui!
Cátodo sonoeléctrico no processador ultrassónico UP100H
Configuração da Sonoelectrólise 1 – Célula indivisa do tipo H
A instalação utiliza ácido sulfúrico diluído (H2SO4, 1,0M). Uma célula indivisa do tipo H é preenchida com o eletrólito. Esta célula é conhecida como voltímetro de Hofmann. Tem três cilindros de vidro unidos na vertical. O cilindro interior está aberto no topo para permitir o enchimento com eletrólito. A abertura das válvulas no topo dos tubos exteriores permite a saída de qualquer gás durante o enchimento. Na célula electrolítica, os eléctrodos são selados por anéis de borracha e imersos de cabeça para baixo na solução de água acidificada. O elétrodo anódico positivo é feito de carbono (8 mm). O cátodo negativo é um sonoelectrodo ultrassónico de titânio (10 mm, sonotrodo especial de elevada área superficial, Hielscher UP100H, 100 watts, 30 kHz). O sonoelectrodo de titânio e o elétrodo de carbono são inertes. A eletrólise só terá lugar quando a eletricidade for passada através da solução diluída de ácido sulfúrico. Por conseguinte, o ânodo de carbono e o cátodo de titânio estão ligados a uma fonte de alimentação de tensão constante (corrente contínua).
O gás hidrogénio e o gás oxigénio produzidos na eletrólise do ácido sulfúrico diluído são recolhidos nos tubos exteriores graduados por cima de cada elétrodo. O volume de gás desloca o eletrólito nos tubos exteriores, e o volume do gás adicional pode ser medido. A relação teórica do volume de gás é de 2:1. Durante a eletrólise, apenas a água é removida do eletrólito como gás hidrogénio e gás oxigénio. Por isso, a concentração do ácido sulfúrico diluído aumenta ligeiramente durante a eletrólise.
O vídeo abaixo mostra a sonoelectrólise de ácido sulfúrico diluído usando ultrassom pulsado (100% de amplitude, modo de ciclo, 0,2 segundos ligado, 0,8 segundos desligado). Ambos os testes foram executados a 2,1V (DC, tensão constante).
Configuração da Sonoelectrólise 2 – Lote simples
Um recipiente de vidro é preenchido com um eletrólito de ácido sulfúrico diluído (H2SO4, 1,0M). Nesta célula electrolítica simples, os eléctrodos são imersos numa solução de água acidificada. O elétrodo anódico positivo é feito de carbono (8mm). O cátodo negativo é um sonoelectrodo ultrassónico de titânio (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). A eletrólise só terá lugar quando a eletricidade for passada através da solução diluída de ácido sulfúrico. Por conseguinte, o ânodo de carbono e o cátodo de titânio são ligados a uma fonte de alimentação de tensão constante (corrente contínua). O elétrodo de titânio e o elétrodo de carbono são inertes. O gás hidrogénio e o gás oxigénio produzidos na eletrólise do ácido sulfúrico diluído não são recolhidos nesta configuração. O vídeo abaixo mostra esta configuração muito simples em funcionamento.
O que acontece durante a eletrólise?
Os iões de hidrogénio são atraídos para o cátodo negativo. Aí, o ião de hidrogénio ou as moléculas de água são reduzidos a moléculas de gás hidrogénio por um ganho de electrões. Como resultado, as moléculas de gás hidrogénio são descarregadas sob a forma de gás hidrogénio. A eletrólise de muitos sais metálicos reactivos ou de soluções ácidas produz hidrogénio no elétrodo catódico negativo.
Os iões de sulfato negativos ou os vestígios de iões de hidróxido são atraídos para o ânodo positivo. O ião sulfato em si é demasiado estável, pelo que nada acontece. Os iões de hidróxido ou as moléculas de água são descarregados e oxidados no ânodo para formar oxigénio. Esta reação no ânodo positivo é uma reação de oxidação do elétrodo por perda de electrões.
Porque é que utilizamos ácido sulfúrico diluído?
A água contém apenas concentrações mínimas de iões de hidrogénio e iões de hidróxido. Isto limita a condutividade eléctrica. As concentrações elevadas de iões de hidrogénio e de iões de sulfato do ácido sulfúrico diluído melhoram a condutividade eléctrica do eletrólito. Em alternativa, pode utilizar uma solução electrolítica alcalina, como o hidróxido de potássio (KOH) ou o hidróxido de sódio (NAOH), e água. A eletrólise de muitas soluções de sais ou de ácido sulfúrico produz hidrogénio no cátodo negativo e oxigénio no ânodo positivo. A eletrólise do ácido clorídrico ou de sais de cloreto produz cloro no ânodo.
O que é um eletrolisador?
Um eletrolisador é um dispositivo para separar a água em hidrogénio e oxigénio num processo conhecido como eletrólise. O eletrolisador utiliza eletricidade para produzir hidrogénio gasoso e oxigénio gasoso. O gás hidrogénio pode ser armazenado sob a forma de gás comprimido ou liquefeito. O hidrogénio é um portador de energia para utilização em células de combustível de hidrogénio em automóveis, comboios, autocarros ou camiões.
Um eletrolisador básico contém um cátodo (carga negativa) e um ânodo (carga positiva) e componentes periféricos, tais como bombas, respiradouros, tanques de armazenamento, uma fonte de alimentação, um separador e outros componentes. A eletrólise da água é uma reação eletroquímica que ocorre no interior do eletrolisador. O ânodo e o cátodo são alimentados por uma corrente contínua e a água (H20) é dividida nos seus componentes hidrogénio (H2) e oxigénio (O2).
Literatura / Referências
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