Sonoelektrolytická výroba vodíka zo zriedenej kyseliny sírovej
Elektrolýzou zriedenej kyseliny sírovej vzniká plynný vodík a plynný kyslík. Pôsobenie ultrazvuku znižuje hrúbku difúznej vrstvy na povrchu elektródy a zlepšuje prenos hmoty počas elektrolýzy. Pôsobenie ultrazvuku môže výrazne zvýšiť rýchlosť tvorby plynného vodíka v elektrolytickom článku.
Nižšie sú opísané dve experimentálne zostavy s uhlíkovou anódou a titánovou katódou. Na preukázanie pozitívnych účinkov ultrazvuku na elektrolýzu sa ako titánová katóda používa sonoelektróda. Tým sa do elektrolytickej výroby vodíka a kyslíka zo zriedenej kyseliny sírovej vnášajú ultrazvukové vibrácie a kavitácia. Kombinácia ultrazvuku s elektrinou sa využíva v sonoelektrochémii, sonoelektrolýze a sonoelektrosyntéze.
Ultrazvukový homogenizátor Hielscher UP100H (100 wattov, 30kHz) je vybavený sonoelektrochemickou nadstavbou. Tá umožňuje používať sonotródu ako katódu alebo anódu v elektrolytickom procese. Informácie o priemyselných sonoelektrolytických zostavách nájdete po kliknutí sem!
Sonoelektrická katóda na ultrazvukovom procesore UP100H
Zostava na sonoelektrolýzu 1 – Nedelený článok typu H
V zostave sa používa zriedená kyselina sírová (H2SO4, 1,0M). Nedelený článok typu H je naplnený elektrolytom. Tento článok je známy ako Hofmannov voltameter. Má tri spojené zvislé sklenené valce. Stredný valec je hore otvorený, aby sa dal naplniť elektrolytom. Otvorenie ventilov v hornej časti vonkajších trubíc umožňuje počas plnenia únik všetkých plynov. V elektrolytickom článku sú elektródy utesnené gumovými krúžkami a ponorené do roztoku okyslenej vody obrátene, zhora nadol. Kladná anódová elektróda je vyrobená z uhlíka (8mm). Záporná katóda je titánová ultrazvuková sonoelektróda (10mm, špeciálna sonotróda s veľkou plochou povrchu, Hielscher UP100H, 100 wattov, 30kHz). Titánová sonoelektróda a uhlíková elektróda sú inertné. Elektrolýza prebieha iba vtedy, keď roztokom zriedenej kyseliny sírovej prechádza elektrický prúd. Preto sú uhlíková anóda a titánová katóda pripojené k zdroju konštantného napätia (jednosmerný prúd).
Plynný vodík a plynný kyslík vznikajúce pri elektrolýze zriedenej kyseliny sírovej sa zachytávajú v odmerných vonkajších trubiciach nad každou elektródou. Objem plynu vytláča elektrolyt vo vonkajších trubiciach a objem pribúdajúceho plynu možno merať. Teoretický pomer objemov plynov je 2:1. Počas elektrolýzy sa z elektrolytu odoberá iba voda vo forme plynného vodíka a plynného kyslíka. Preto sa koncentrácia zriedenej kyseliny sírovej počas elektrolýzy mierne zvyšuje.
Video nižšie ukazuje sonoelektrolýzu zriedenej kyseliny sírovej s použitím pulzného ultrazvuku (100% amplitúda, cyklický režim, 0,2 sekundy zapnuté, 0,8 sekundy vypnuté). Oba testy prebiehali pri 2,1V (jednosmerný prúd, konštantné napätie).
Zostava na sonoelektrolýzu 2 – Jednoduché vsádzkové usporiadanie
Sklenená nádoba je naplnená elektrolytom zo zriedenej kyseliny sírovej (H2SO4, 1,0M). V tomto jednoduchom elektrolytickom článku sú elektródy ponorené do roztoku okyslenej vody. Kladná anódová elektróda je vyrobená z uhlíka (8mm). Záporná katóda je titánová ultrazvuková sonoelektróda (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 wattov, 30kHz). Elektrolýza prebieha iba vtedy, keď roztokom zriedenej kyseliny sírovej prechádza elektrický prúd. Preto sú uhlíková anóda a titánová katóda pripojené k zdroju konštantného napätia (jednosmerný prúd). Titánová elektróda a uhlíková elektróda sú inertné. Plynný vodík a plynný kyslík vznikajúce pri elektrolýze zriedenej kyseliny sírovej sa v tejto zostave nezachytávajú. Video nižšie ukazuje túto veľmi jednoduchú zostavu v prevádzke.
Čo sa deje počas elektrolýzy?
Vodíkové ióny sú priťahované k zápornej katóde. Tam sa vodíkové ióny alebo molekuly vody prijatím elektrónov redukujú na molekuly plynného vodíka. V dôsledku toho sa molekuly vodíka uvoľňujú vo forme plynného vodíka. Pri elektrolýze mnohých solí reaktívnych kovov alebo roztokov kyselín vzniká na zápornej katódovej elektróde vodík.
Záporné síranové ióny alebo stopové množstvá hydroxidových iónov sú priťahované ku kladnej anóde. Samotný síranový ión je príliš stabilný, takže sa s ním nič nedeje. Hydroxidové ióny alebo molekuly vody sa na anóde vybíjajú a oxidujú za vzniku kyslíka. Táto reakcia na kladnej anóde je oxidačnou elektródovou reakciou, pri ktorej dochádza k strate elektrónov.
Prečo používame zriedenú kyselinu sírovú?
Voda obsahuje vodíkové ióny a hydroxidové ióny iba vo veľmi nízkych koncentráciách. To obmedzuje elektrickú vodivosť. Vysoké koncentrácie vodíkových iónov a síranových iónov zo zriedenej kyseliny sírovej zlepšujú elektrickú vodivosť elektrolytu. Alternatívne môžete použiť alkalický roztok elektrolytu, napríklad hydroxidu draselného (KOH) alebo hydroxidu sodného (NAOH), a vodu. Pri elektrolýze mnohých roztokov solí alebo kyseliny sírovej vzniká na zápornej katóde vodík a na kladnej anóde kyslík. Pri elektrolýze kyseliny chlorovodíkovej alebo chloridových solí vzniká na anóde chlór.
Čo je elektrolyzér?
Elektrolyzér je zariadenie na rozklad vody na vodík a kyslík v procese známom ako elektrolýza. Elektrolyzér využíva elektrinu na výrobu plynného vodíka a plynného kyslíka. Plynný vodík možno skladovať ako stlačený alebo skvapalnený plyn. Vodík je nosičom energie na použitie vo vodíkových palivových článkoch v osobných automobiloch, vlakoch, autobusoch alebo nákladných vozidlách.
Základný elektrolyzér obsahuje katódu (záporný náboj) a anódu (kladný náboj) a periférne súčasti, ako sú čerpadlá, odvzdušňovacie otvory, zásobníky, napájací zdroj, separátor a ďalšie súčasti. Elektrolýza vody je elektrochemická reakcia, ktorá prebieha v elektrolyzéri. Anóda a katóda sú napájané jednosmerným prúdom a voda (H20) sa rozkladá na svoje zložky, vodík (H2) a kyslík (O2).
Literatúra / Referencie
- 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.