Produção sonoeletrolítica de hidrogénio a partir de ácido sulfúrico diluído
A eletrólise de ácido sulfúrico diluído produz hidrogénio gasoso e oxigénio gasoso. A ultrassonicação reduz a espessura da camada de difusão na superfície do elétrodo e melhora a transferência de massa durante a eletrólise. A ultrassonicação pode aumentar significativamente as taxas de produção de hidrogénio gasoso na célula eletrolítica.
São descritas abaixo duas montagens experimentais com um ânodo de carbono e um cátodo de titânio. Para demonstrar os efeitos positivos da ultrassonicação na eletrólise, o cátodo de titânio é um sonoelétrodo. Isto acrescenta vibrações ultrassónicas e cavitação à produção eletrolítica de hidrogénio e oxigénio a partir de ácido sulfúrico diluído. A combinação de ultrassons com eletricidade é utilizada na sonoeletroquímica, na sonoeletrolise e na sonoeletrossíntese.
O homogeneizador ultrassónico UP100H da Hielscher (100 watts, 30kHz) está equipado com uma adaptação sonoeletroquímica. Isto permite utilizar o sonotrodo como cátodo ou ânodo num processo eletrolítico. Para montagens sonoeletrolíticas industriais, clique aqui!
Cátodo sonoelétrico no processador ultrassónico UP100H
Montagem de sonoeletrolise 1 – Célula não dividida do tipo H
A montagem utiliza ácido sulfúrico diluído (H2SO4, 1,0M). Uma célula não dividida do tipo H é preenchida com o eletrólito. Esta célula é conhecida como voltâmetro de Hofmann. Tem três cilindros de vidro verticais interligados. O cilindro central está aberto na parte superior para permitir o enchimento com eletrólito. A abertura das válvulas na parte superior dos tubos exteriores permite a saída de qualquer gás durante o enchimento. Na célula eletrolítica, os elétrodos são vedados por anéis de borracha e imersos de cabeça para baixo na solução de água acidificada. O elétrodo positivo, o ânodo, é feito de carbono (8mm). O cátodo negativo é um sonoelétrodo ultrassónico de titânio (10mm, sonotrodo especial com elevada área superficial, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). O sonoelétrodo de titânio e o elétrodo de carbono são inertes. A eletrólise só ocorre quando se faz passar corrente elétrica pela solução de ácido sulfúrico diluído. Por isso, o ânodo de carbono e um cátodo de titânio são ligados a uma fonte de alimentação de tensão constante (corrente contínua).
O hidrogénio gasoso e o oxigénio gasoso produzidos na eletrólise do ácido sulfúrico diluído são recolhidos nos tubos exteriores graduados, acima de cada elétrodo. O volume de gás desloca o eletrólito nos tubos exteriores, e o volume de gás adicional pode ser medido. A proporção teórica dos volumes de gás é de 2:1. Durante a eletrólise, apenas a água é removida do eletrólito sob a forma de hidrogénio gasoso e oxigénio gasoso. Assim, a concentração do ácido sulfúrico diluído aumenta ligeiramente durante a eletrólise.
O vídeo abaixo mostra a sonoeletrolise de ácido sulfúrico diluído utilizando ultrassonicação pulsada (100% de amplitude, modo de ciclo, 0,2 segundos ligado, 0,8 segundos desligado). Ambos os ensaios foram realizados a 2,1V (corrente contínua, tensão constante).
Montagem de sonoeletrolise 2 – Processo simples por lotes
Um recipiente de vidro é preenchido com um eletrólito de ácido sulfúrico diluído (H2SO4, 1,0M). Nesta célula eletrolítica simples, os elétrodos são imersos numa solução de água acidificada. O elétrodo positivo, o ânodo, é feito de carbono (8mm). O cátodo negativo é um sonoelétrodo ultrassónico de titânio (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). A eletrólise só ocorre quando se faz passar corrente elétrica pela solução de ácido sulfúrico diluído. Por isso, o ânodo de carbono e um 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 hidrogénio gasoso e o oxigénio gasoso produzidos na eletrólise do ácido sulfúrico diluído não são recolhidos nesta montagem. O vídeo abaixo mostra esta montagem 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 hidrogénio gasoso por ganho de eletrões. Como resultado, as moléculas de hidrogénio gasoso são libertadas sob a forma de hidrogénio gasoso. A eletrólise de muitos sais de metais reativos ou de soluções ácidas produz hidrogénio no elétrodo negativo, o cátodo.
Os iões sulfato negativos ou os vestígios de iões hidróxido são atraídos para o ânodo positivo. O próprio ião sulfato é demasiado estável, pelo que nada acontece. Os iões 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 no elétrodo por perda de eletrões.
Porque utilizamos ácido sulfúrico diluído?
A água contém apenas concentrações ínfimas de iões de hidrogénio e de iões hidróxido. Isto limita a condutividade elétrica. As elevadas concentrações de iões de hidrogénio e de iões sulfato provenientes do ácido sulfúrico diluído melhoram a condutividade elétrica do eletrólito. Em alternativa, pode utilizar uma solução eletrolítica alcalina, como hidróxido de potássio (KOH) ou 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 de ácido clorídrico ou de sais de cloreto produz cloro no ânodo.
O que é um eletrolisador?
Um eletrolisador é um dispositivo que separa a água em hidrogénio e oxigénio num processo conhecido como eletrólise. O eletrolisador utiliza eletricidade para produzir hidrogénio gasoso e oxigénio gasoso. O hidrogénio gasoso pode ser armazenado como gás comprimido ou liquefeito. O hidrogénio é um vetor energético 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), bem como componentes periféricos, tais como bombas, saídas de ventilação, depósitos 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 corrente contínua e a água (H20) é decomposta nos seus componentes, hidrogénio (H2) e oxigénio (O2).
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