Produção de hidrogênio sonoeletrônico a partir de ácido sulfúrico diluído

Eletrólise de ácido sulfúrico diluído produz gás hidrogênio e gás oxigênio. A ultrassônica reduz a espessura da camada de difusão na superfície do eletrodo e melhora a transferência de massa durante a eletrólise. A ultrassônica pode aumentar as taxas de produção de gás hidrogênio na célula eletrolítica, significativamente.

Duas configurações experimentais com um ânodo de carbono e um cátodo de titânio são descritas abaixo. Para demonstrar os efeitos positivos da ultrassônica na eletrólise, o cátodo de titânio é uma sonoeletrônica. Isso adiciona vibrações ultrassônicas e cavitação à produção eletrolítica de hidrogênio e oxigênio a partir de ácido sulfúrico diluído. A combinação de ultrassônicos com eletricidade é usada em sonoeletrônica, sonoeletróide e sonoeletrínse.
O homogeneizador ultrassônico Hielscher UP100H (100 watts, 30kHz) é equipado com um upgrade sonoeletrônico. Isso permite usar o sonotrodo como um cátodo ou ânodo em um processo eletrolítico. Para configurações sonoeletrônicas industriais, clique aqui!

Show an ultrasonic titanium probe as a sonoelectrolytic cathode in hydrogen production from dilute sulfuric acid.

Cathódo sonoelétrico no processador ultrassônico UP100H

Configuração de Sonoelectrolysis 1 – Célula não dividida do tipo H

A configuração utiliza ácido sulfúrico diluído (H2SO4, 1.0M). Uma célula não dividida do tipo H é preenchida com o eletrólito. Esta célula é conhecida como Hofmann Voltameter. Tem três cilindros de vidro eretos. O cilindro interno está aberto na parte superior para permitir o enchimento com eletrólito. Abrir as válvulas na parte superior dos tubos externos permite que qualquer gás escape durante o enchimento. Na célula eletrolítica, os eletrodos são selados por anéis de borracha e imersos de cabeça para baixo na solução de água acidificada. O eletrodo de ânodo positivo é feito de carbono (8mm). O cátodo negativo é um sonoeletrodo ultrassônico de titânio (10mm, sonotrode de superfície alta especial, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). A sonoeletrônio de titânio e o eletrodo de carbono estão inertes. A eletrólise só ocorrerá quando a eletricidade for transmitida através da solução diluída de ácido sulfúrico. Portanto, o ânodo de carbono e um cátodo de titânio estão conectados a uma fonte de alimentação de tensão constante (corrente direta).
O gás hidrogênio e o gás oxigênio produzido na eletrólise do ácido sulfúrico diluído são coletados nos tubos externos graduados acima de cada eletrodo. O volume de gás desloca o eletrólito nos tubos externos, e o volume do gás adicional pode ser medido. A proporção teórica do volume de gás é de 2:1. Durante a eletrólise, apenas a água é removida do eletrólito como gás hidrogênio e gás oxigênio. Assim, a concentração do ácido sulfúrico diluído sobe ligeiramente durante a eletrólise.
O vídeo abaixo mostra a sonoeletróide do ácido sulfúrico diluído usando ultrassônica pulsada (100% de amplitude, modo de ciclo, 0,2 segundos ligado, 0,8 segundos de desconto). Ambos os testes foram executados a 2,1V (DC, tensão constante).

Este vídeo mostra a produção sonoeletrítica de hidrogênio em um Hofmann Voltameter

Produção de hidrogênio sonoeletrlítico em Hofmann Voltameter

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Configuração de Sonoelectrolysis 2 – Lote Simples

Um vaso de vidro é preenchido com um eletrólito de ácido sulfúrico diluído (H2SO4, 1,0M). Nesta simples célula eletrolítica, os eletrodos são imersos em uma solução da água acidificada. O eletrodo de ânodo positivo é feito de carbono (8mm). O cátodo negativo é um sonoeletrodo ultrassônico de titânio (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). A eletrólise só ocorrerá quando a eletricidade for transmitida através da solução diluída de ácido sulfúrico. Portanto, o ânodo de carbono e um cátodo de titânio estão conectados a uma fonte de alimentação de tensão constante (corrente direta). O eletrodo de titânio e o eletrodo de carbono estão inertes. O gás hidrogênio e o gás oxigênio produzido na eletrólise do ácido sulfúrico diluído não são coletados nesta configuração. O vídeo abaixo mostra esta configuração muito simples em operação.

Este vídeo mostra a sonoeletrrólise da água para produzir hidrogênio e oxigênio

Sonoeletrólise da Água ao Hidrogênio e Oxigênio

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O que acontece durante a eletrólise?

Os íons de hidrogênio são atraídos pelo cátodo negativo. Lá, as moléculas de íons de hidrogênio ou água são reduzidas a moléculas de gás hidrogênio por um ganho de elétrons. Como resultado, moléculas de gás hidrogênio são descarregadas como gás hidrogênio. A eletrólise de muitos sais metálicos reativos ou soluções ácidas produzem hidrogênio no eletrodo catódico negativo.
Os íons sulfato negativos ou os traços de íons hidróxido são atraídos pelo ânodo positivo. O íon sulfato em si é muito estável, de modo que nada acontece. Íons hidróxidos ou moléculas de água são descarregados e oxidados no ânodo para formar oxigênio. Esta reação positiva de ânodo é uma reação de eletrodo de oxidação por uma perda de elétrons.

Por que usamos ácido sulfúrico diluído?

A água contém concentrações minúsculas de íons de hidrogênio e íons hidróxido, apenas. Isso limita a condutividade elétrica. Altas concentrações de íons de hidrogênio e íons de sulfato do ácido sulfúrico diluído melhoram a condutividade elétrica do eletrólito. Alternativamente, você pode usar solução de eletrólito alcalino, como hidróxido de potássio (KOH) ou hidróxido de sódio (NAOH), e água. A eletrólise de muitas soluções de sais ou ácido sulfúrico produz hidrogênio no cátodo negativo e oxigênio no ânodo positivo. A eletrólise do ácido clorídrico ou sais de cloreto produz cloro no ânodo.

O que é um Eletrólito?

Um eletrólito é um dispositivo para separar água em hidrogênio e oxigênio em um processo conhecido como eletrólise. O eletrólito usa eletricidade para produzir gás hidrogênio e gás oxigênio. O gás hidrogênio pode ser armazenado como gás comprimido ou liquefeito. O hidrogênio é um porta-aviões de energia para uso em células de combustível de hidrogênio em carros, trens, ônibus ou caminhões.
Um eletrólito básico contém um cátodo (carga negativa) e um ânodo (carga positiva) e componentes periféricos, como bombas, aberturas, tanques de armazenamento, uma fonte de alimentação, um separador e outros componentes. A eletrólise da água é uma reação eletroquímica que ocorre dentro do eletrólito. O ânodo e o cátodo são alimentados por uma corrente direta e a água (H20) é dividida em seus componentes hidrogênio (H2) e oxigênio (O2).

Literatura / Referências