Produção de hidrogênio sonoeletrolítico a partir de ácido sulfúrico diluído
A eletrólise do ácido sulfúrico diluído produz gás hidrogênio e gás oxigênio. A ultrassonografia reduz a espessura da camada de difusão na superfície do eletrodo e melhora a transferência de massa durante a eletrólise. A ultrassonografia pode aumentar significativamente as taxas de produção de gás hidrogênio na célula eletrolítica.
Duas configurações experimentais com um ânodo de carbono e um cátodo de titânio são descritas abaixo. Para demonstrar os efeitos positivos da ultrassonografia na eletrólise, o cátodo de titânio é um sonoeletrodo. Isso adiciona vibrações ultrassônicas e cavitação à produção eletrolítica de hidrogênio e oxigênio a partir do ácido sulfúrico diluído. A combinação de ultrassom com eletricidade é usada em sonoeletroquímica, sonoeletrólise e sonoeletrossíntese.
O homogeneizador ultrassônico Hielscher UP100H (100 watts, 30kHz) está equipado com uma atualização sonoeletroquímica. Isso permite usar o sonotrodo como um cátodo ou ânodo em um processo eletrolítico. Para configurações sonoeletrolíticas industriais, clique aqui!
Cátodo sonoelétrico no processador ultrassônico UP100H
Configuração de Sonoeletrólise 1 – Célula indivisa tipo H
A configuração usa ácido sulfúrico diluído (H2SO4, 1,0M). Uma célula indivisa do tipo H é preenchida com o eletrólito. Esta célula é conhecida como Voltímetro Hofmann. Possui três cilindros de vidro verticais unidos. O cilindro interno é aberto na parte superior para permitir o enchimento com eletrólito. A abertura das 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 do ânodo positivo é feito de carbono (8 mm). O cátodo negativo é um sonoeletrodo ultrassônico de titânio (10 mm, sonotrodo especial de alta área de superfície, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). O sonoeletrodo de titânio e o eletrodo de carbono são inertes. A eletrólise só ocorrerá quando a eletricidade passar pela solução diluída de ácido sulfúrico. Portanto, o ânodo de carbono e um cátodo de titânio são conectados a uma fonte de alimentação de tensão constante (corrente contínua).
O gás hidrogênio e o gás oxigênio produzidos 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 aumenta ligeiramente durante a eletrólise.
O vídeo abaixo mostra a sonoeletrólise do ácido sulfúrico diluído usando ultrassom pulsado (amplitude de 100%, modo de ciclo, 0,2 segundos ligado, 0,8 segundos desligado). Ambos os testes foram executados em 2,1 V (CC, tensão constante).
Configuração de Sonoeletrólise 2 – Lote Simples
Um recipiente de vidro é preenchido com um eletrólito de ácido sulfúrico diluído (H2SO4, 1,0M). Nesta célula eletrolítica simples, os eletrodos são imersos em uma solução de água acidificada. O eletrodo do ânodo positivo é feito de carbono (8 mm). O cátodo negativo é um sonoeletrodo ultrassônico de titânio (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watts, 30kHz). A eletrólise só ocorrerá quando a eletricidade passar pela solução diluída de ácido sulfúrico. Portanto, o ânodo de carbono e um cátodo de titânio são conectados a uma fonte de alimentação de tensão constante (corrente contínua). O eletrodo de titânio e o eletrodo de carbono são inertes. O gás hidrogênio e o gás oxigênio produzidos na eletrólise do ácido sulfúrico diluído não são coletados nesta configuração. O vídeo abaixo mostra essa configuração muito simples em operação.
O que acontece durante a eletrólise?
Os íons de hidrogênio são atraídos para o cátodo negativo. Lá, o íon de hidrogênio ou as moléculas de água são reduzidas a moléculas de gás hidrogênio por um ganho de elétrons. Como resultado, as moléculas de gás hidrogênio são descarregadas como gás hidrogênio. A eletrólise de muitos sais metálicos reativos ou soluções ácidas produz hidrogênio no eletrodo do cátodo negativo.
Os íons sulfato negativos ou os traços de íons hidróxido são atraídos para o ânodo positivo. O próprio íon sulfato é muito estável, de modo que nada acontece. Íons hidróxido ou moléculas de água são descarregados e oxidados no ânodo para formar oxigênio. Esta reação anódica positiva é uma reação de eletrodo de oxidação por uma perda de elétrons.
Por que usamos ácido sulfúrico diluído?
A água contém apenas concentrações mínimas de íons hidrogênio e íons hidróxido. Isso limita a condutividade elétrica. Altas concentrações de íons de hidrogênio e íons sulfato do ácido sulfúrico diluído melhoram a condutividade elétrica do eletrólito. Como alternativa, você pode usar solução alcalina de eletrólitos, 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 eletrolisador?
Um eletrolisador é um dispositivo para separar a água em hidrogênio e oxigênio em um processo conhecido como eletrólise. O eletrolisador usa eletricidade para produzir gás hidrogênio e gás oxigênio. O gás hidrogênio pode ser armazenado como gás comprimido ou liquefeito. O hidrogênio é um transportador de energia para uso em células de combustível de hidrogênio em carros, trens, ônibus ou caminhões.
Um eletrolisador básico contém um cátodo (carga negativa) e um ânodo (carga positiva) e componentes periféricos, como bombas, respiros, tanques de armazenamento, uma fonte de alimentação, um separador e outros componentes. A eletrólise da água é uma reação eletroquímica que ocorre dentro do eletrolisador. O ânodo e o cátodo são alimentados por uma corrente contínua e a água (H20) é dividida em seus componentes hidrogênio (H2) e oxigênio (O2).
Literatura / Referências
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