Sonoelectrolitic hidrogen de producție din acid sulfuric diluat
Electroliza acidului sulfuric diluat produce hidrogen gazos și oxigen gazos. Ultrasonication reduce grosimea stratului de difuzie la suprafața electrodului și îmbunătățește transferul de masă în timpul electrolizei. Ultrasonication poate crește ratele de producție de hidrogen gazos în celula electrolitică, în mod semnificativ.
Două configurații experimentale cu un anod de carbon și un catod de titan sunt descrise mai jos. Pentru a demonstra efectele pozitive ale ultrasonication pe electroliza, catod de titan este un sonoelectrode. Acest lucru adaugă vibrații cu ultrasunete și cavitație la producția electrolitică de hidrogen și oxigen din acidul sulfuric diluat. Combinația de ultrasunete cu electricitate este utilizată în sonoelectrochimie, sonoelectroliză și sonoelectrosinteza.
Hielscher omogenizator cu ultrasunete UP100H (100 wați, 30kHz) este echipat cu un upgrade sonoelectrochimice. Acest lucru permite utilizarea sonotrodului ca catod sau anod într-un proces electrolitic. Pentru configurații industriale sonoelectrolitice, vă rugăm să faceți clic aici!
Sonoelectric Catod pe procesor cu ultrasunete UP100H
Configurare sonoelectroliză 1 – Celulă nedivizată de tip H
Configurația utilizează acid sulfuric diluat (H2SO4, 1,0M). O celulă nedivizată de tip H este umplută cu electrolit. Această celulă este cunoscută sub numele de Hofmann Voltameter. Ea are trei cilindri de sticlă în poziție verticală unite. Cilindrul interior este deschis în partea de sus pentru a permite umplerea cu electrolit. Deschiderea supapelor din partea de sus a tuburilor exterioare permite oricărui gaz să scape în timpul umplerii. În celula electrolitică, electrozii sunt sigilați cu inele de cauciuc și scufundați cu susul în jos în soluția de apă acidificată. Electrodul de anod pozitiv este fabricat din carbon (8mm). Catod negativ este un sonoelectrode cu ultrasunete de titan (10mm, sonotrode suprafață specială de mare, Hielscher UP100H, 100 wați, 30kHz). Sonoelectrode de titan și electrodul de carbon sunt inerte. Electroliza va avea loc numai atunci când energia electrică este transmisă prin soluția diluată de acid sulfuric. Prin urmare, anod de carbon și un catod de titan sunt conectate la o sursă de alimentare de tensiune constantă (curent continuu).
Hidrogenul gazos și gazul de oxigen produs în electroliza acidului sulfuric diluat sunt colectate în tuburile exterioare gradate de deasupra fiecărui electrod. Volumul gazului deplasează electrolitul în tuburile exterioare, iar volumul gazului suplimentar poate fi măsurat. Raportul teoretic al volumului de gaz este de 2:1. În timpul electrolizei, numai apa este eliminată din electrolit ca hidrogen gazos și oxigen gazos. Prin urmare, concentrația acidului sulfuric diluat crește ușor în timpul electrolizei.
Videoclipul de mai jos arată sonoelectroliza acidului sulfuric diluat folosind ultrasonication pulsat (amplitudine 100%, modul ciclu, 0.2 secunde pe, 0.8 secunde off). Ambele teste au fost efectuate la 2.1V (DC, tensiune constantă).
Sonoelectroliză Configurare 2 – Lot simplu
Un vas de sticlă este umplut cu un electrolit de acid sulfuric diluat (H2SO4, 1,0M). În această celulă electrolitică simplă, electrozii sunt scufundați într-o soluție de apă acidificată. Electrodul de anod pozitiv este fabricat din carbon (8mm). Catod negativ este un sonoelectrode cu ultrasunete de titan (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 wați, 30kHz). Electroliza va avea loc numai atunci când energia electrică este transmisă prin soluția diluată de acid sulfuric. Prin urmare, anod de carbon și un catod de titan sunt conectate la o sursă de alimentare de tensiune constantă (curent continuu). Electrodul de titan și electrodul de carbon sunt inerte. Gazul de hidrogen și gazul de oxigen produs în electroliza acidului sulfuric diluat nu sunt colectate în această configurație. Video de mai jos arată acest setup foarte simplu în funcțiune.
Ce se întâmplă în timpul electrolizei?
Ionii de hidrogen sunt atrași de catod negativ. Acolo, ionii de hidrogen sau moleculele de apă sunt reduse la molecule de hidrogen gazos printr-un câștig de electroni. Ca urmare, moleculele de hidrogen gazos sunt evacuate ca hidrogen gazos. Electroliza multor săruri metalice reactive sau soluții acide produce hidrogen la electrodul catodic negativ.
Ionii negativi de sulfat sau urmele ionilor de hidroxid sunt atrași de anodul pozitiv. Ionul sulfatului în sine este prea stabil, astfel încât să nu se întâmple nimic. Ionii de hidroxid sau moleculele de apă sunt evacuate și oxidate la anod pentru a forma oxigen. Această reacție pozitivă anodică este o reacție de electrod de oxidare printr-o pierdere de electroni.
De ce folosim acid sulfuric diluat?
Apa conține concentrații infiioare de ioni de hidrogen și ioni de hidroxid, numai. Acest lucru limitează conductivitatea electrică. Concentrațiile mari de ioni de hidrogen și ioni de sulfat din acidul sulfuric diluat îmbunătățesc conductivitatea electrică a electrolitului. Alternativ, puteți utiliza soluție electrolitic alcalină, ar fi hidroxid de potasiu (KOH) sau hidroxid de sodiu (NAOH), și apă. Electroliza multor soluții de săruri sau acid sulfuric produce hidrogen la catod negativ și oxigen la anod pozitiv. Electroliza acidului clorhidric sau a sărurilor de clorură produce clor la anod.
Ce este un Electrolyzer?
Un electrolizor este un dispozitiv de separare a apei în hidrogen și oxigen într-un proces cunoscut sub numele de electroliză. Electrolizantul utilizează electricitatea pentru a produce hidrogen gazos și oxigen gazos. Hidrogenul gazos poate fi stocat sub formă de gaz comprimat sau lichefiat. Hidrogenul este un operator de transport de energie pentru utilizarea în celule de combustibil de hidrogen în autoturisme, trenuri, autobuze, sau camioane.
Un electrolizor de bază conține o catodă (sarcină negativă) și un anod (sarcină pozitivă) și componente periferice, ar fi pompe, guri de aerisire, rezervoare de stocare, o sursă de alimentare, un separator și alte componente. Electroliza apei este o reacție electrochimică care apare în electrolizer. Anod și catod sunt alimentate de un curent continuu și apa (H20) este împărțită în componentele sale hidrogen (H2) și oxigen (O2).
Literatură / Referințe
- 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.