Výroba sonoelektrolytického vodíka zo zriedenej kyseliny sírovej
Elektrolýza zriedenej kyseliny sírovej produkuje vodíkový plyn a kyslíkový plyn. Ultrazvukom znižuje hrúbku difúznej vrstvy na povrchu elektródy a zlepšuje prenos hmoty počas elektrolýzy. Ultrazvukom môže zvýšiť mieru výroby vodíkového plynu v elektrolytickom článku, výrazne.
Nižšie sú opísané dve experimentálne nastavenia s uhlíkovou anódou a titánovou katódou. Ak chcete preukázať pozitívne účinky ultrazvukom na elektrolýzu, titán katóda je sonoelectrode. To pridáva ultrazvukové vibrácie a kavitácie elektrolytickej výroby vodíka a kyslíka zo zriedenej kyseliny sírovej. Kombinácia ultrazvukom s elektrinou sa používa v sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis a sonoelectrosynthesis.
Hielscher Ultrazvukový homogenizátor UP100H (100 wattov, 30kHz) je vybavený sonoelectrochemical upgrade. To umožňuje používať sonotrode ako katódu alebo anódu v elektrolytickom procese. Pre priemyselné sonoelektrolytické nastavenie, prosím kliknite sem!
Sonoelectric Cathode na UP100H ultrazvukový procesor
Nastavenie sonoelektrolyzózy 1 – Nerozdelená bunka typu H
Nastavenie používa zriedenú kyselinu sírovú (H2SO4, 1.0M). Nerozdelený článok typu H je naplnený elektrolytom. Táto bunka je známa ako Hofmannov voltameter. Má tri spojené vzpriamené sklenené valce. Vnútorný valec je otvorený v hornej časti, aby sa umožnil plnenie elektrolytom. Otvorenie ventilov v hornej časti vonkajších rúrok umožňuje únik plynu počas plnenia. V elektrolytickom článku sú elektródy utesnené gumovými krúžkami a ponorené hore nohami do roztoku okysličenej vody. Kladná anódová elektróda je vyrobená z uhlíka (8 mm). Negatívna katóda je titán ultrazvukový sonoelectrode (10mm, špeciálna vysoká plocha sonotrode, Hielscher UP100H, 100 wattov, 30kHz). Titán sonoelekrode a uhlíková elektróda sú inertné. Elektrolýza sa uskutoční len vtedy, keď elektrina prechádza cez zriedený roztok kyseliny sírovej. Preto sú uhlíková anóda a titánová katóda pripojené k zdroju napájania konštantným napätím (jednosmerný prúd).
Vodíkový plyn a kyslíkový plyn produkovaný pri elektrolýze zriedenej kyseliny sírovej sa zachytú do odmerných vonkajších skúmaviek nad každou elektródou. Objem plynu vytláča elektrolyt vo vonkajších rúrkach a objem dodatočného plynu sa môže merať. Teoretický pomer objemu plynu je 2:1. Počas elektrolýzy sa z elektrolytu odstraňuje iba voda ako vodíkový plyn a kyslíkový plyn. Preto koncentrácia zriedenej kyseliny sírovej počas elektrolýzy mierne stúpa.
Video nižšie ukazuje sonoelektrolyzáciu zriedenej kyseliny sírovej pomocou pulznej ultrazvukom (100% amplitúda, cyklus režim, 0,2 sekundy na, 0,8 sekundy vypnuté). Oba testy boli vykonané pri 2.1V (DC, konštantné napätie).
Nastavenie sonoelektrolyzózy 2 – Jednoduchá dávka
Sklenená nádoba sa naplní elektrolytom zriedenej kyseliny sírovej (H2SO4, 1,0 M). V tomto jednoduchom elektrolytickom článku sú elektródy ponorené do roztoku okyslinej vody. Kladná anódová elektróda je vyrobená z uhlíka (8 mm). Negatívna katóda je titán ultrazvukový sonoelectrode (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 wattov, 30kHz). Elektrolýza sa uskutoční len vtedy, keď elektrina prechádza cez zriedený roztok kyseliny sírovej. Preto sú uhlíková anóda a titánová katóda pripojené k zdroju napájania konštantným napätím (jednosmerný prúd). Titánová elektróda a uhlíková elektróda sú inertné. Vodíkový plyn a kyslíkový plyn produkovaný pri elektrolýze zriedenej kyseliny sírovej sa v tomto nastavení nezachytujú. Nižšie uvedené video ukazuje toto veľmi jednoduché nastavenie v prevádzke.
Čo sa stane počas elektrolýzy?
Vodíkové ióny sú priťahované k negatívnej katóde. Tam sú molekuly vodíkového iónu alebo vody redukované na molekuly vodíkového plynu ziskom elektrónu. V dôsledku toho sa molekuly vodíkového plynu vypúšťajú ako vodíkový plyn. Elektrolýza mnohých reaktívnych kovových solí alebo kyslých roztokov produkuje vodík pri negatívnej katódovej elektróde.
Negatívne ióny síranu alebo stopy hydroxidových iónov sú priťahované k pozitívnej anóde. Samotný sulfátový ión je príliš stabilný, takže sa nič nedeje. Hydroxidové ióny alebo molekuly vody sa vypúšťajú a oxidujú v anóde a tvoria kyslík. Táto pozitívna anódová reakcia je oxidačná elektródová reakcia elektrónovou stratou.
Prečo používame zriedenú kyselinu sírovú?
Voda obsahuje len minútové koncentrácie iónov vodíka a hydroxidu. To obmedzuje elektrickú vodivosť. Vysoké koncentrácie iónov vodíka a síranov zo zriedenej kyseliny sírovej zlepšujú elektrickú vodivosť elektrolytu. Prípadne môžete použiť alkalický elektrolytový roztok, ako je hydroxid draselný (KOH) alebo hydroxid sodný (NAOH) a vodu. Elektrolýza mnohých roztokov solí alebo kyseliny sírovej produkuje vodík pri negatívnej katóde a kyslík v pozitívnej anóde. Elektrolýza solí kyseliny chlorovodíkovej alebo chloridov produkuje chlór v anóde.
Čo je electrolyzer?
Elektrolyzér je zariadenie na separovanie vody na vodík a kyslík v procese známom ako elektrolýza. Elektrolyzér používa elektrickú energiu na výrobu vodíkového plynu a kyslíkového plynu. Vodíkový plyn sa môže skladovať ako stlačený alebo skvapalnený plyn. Vodík je nosič energie na použitie v vodíkových palivových článkoch v automobiloch, vlakoch, autobusoch alebo nákladných vozidlách.
Základný elektrolyzér obsahuje katódu (záporný náboj) a anódu (kladný náboj) a periférne komponenty, ako sú čerpadlá, prieduchy, skladovacie nádrže, napájací zdroj, separátor a ďalšie komponenty. Vodná elektrolýza je elektrochemická reakcia, ktorá sa vyskytuje v elektrolyzátore. Anóda a katóda sú poháňané priamym prúdom a voda (H20) je rozdelená na jej 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.