Sonoelektrolytická výroba vodíka zo zriedenej kyseliny sírovej
Elektrolýzou zriedenej kyseliny sírovej vzniká plynný vodík a plynný kyslík. Ultrazvuk znižuje hrúbku difúznej vrstvy na povrchu elektródy a zlepšuje prenos hmoty počas elektrolýzy. Ultrazvuk môže výrazne zvýšiť rýchlosť produkcie plynného vodíka v elektrolytickom článku.
Dve experimentálne zostavy s uhlíkovou anódou a titánovou katódou sú opísané nižšie. Na preukázanie pozitívnych účinkov ultrazvuku na elektrolýzu je titánová katóda sonoelektróda. To pridáva ultrazvukové vibrácie a kavitáciu k elektrolytickej produkcii vodíka a kyslíka zo zriedenej kyseliny sírovej. Kombinácia ultrazvuku s elektrinou sa používa v sonoelektrochémii, sonoelektrolýze a sonoelektrosyntéze.
Ultrazvukový homogenizátor Hielscher UP100H (100 wattov, 30 kHz) je vybavený sonoelektrochemickým vylepšením. To umožňuje použiť sonotródu ako katódu alebo anódu v elektrolytickom procese. Pre priemyselné sonoelektrolytické nastavenia kliknite sem!
Sonoelektrická katóda na ultrazvukovom procesore UP100H
Nastavenie sonoelektrolýzy 1 – Nerozdelená bunka typu H
Nastavenie používa zriedenú kyselinu sírovú (H2SO4, 1.0M). Nerozdelený článok typu H je naplnený elektrolytom. Tento článok je známy ako Hofmannov voltameter. Má tri spojené zvislé sklenené valce. Vnútorný valec je v hornej časti otvorený, aby sa umožnilo naplnenie elektrolytom. Otvorenie ventilov v hornej časti vonkajších rúrok umožňuje únik akéhokoľvek plynu počas plnenia. V elektrolytickom článku sú elektródy utesnené gumovými krúžkami a ponorené hore dnom do roztoku okyslenej vody. Kladná anódová elektróda je vyrobená z uhlíka (8 mm). Záporná katóda je titánová ultrazvuková sonoelektróda (10 mm, špeciálna sonotróda s vysokým povrchom, Hielscher UP100H, 100 wattov, 30 kHz). Titánová sonoelektróda a uhlíková elektróda sú inertné. Elektrolýza sa uskutoční iba vtedy, keď elektrina prechádza zriedeným roztokom kyseliny sírovej. Preto sú uhlíková anóda a titánová katóda pripojené k zdroju konštantného napätia (jednosmerný prúd).
Plynný vodík a plynný kyslík vznikajúci pri elektrolýze zriedenej kyseliny sírovej sa zhromažďujú v odmerných vonkajších trubiciach nad každou elektródou. Objem plynu vytláča elektrolyt vo vonkajších trubiciach a je možné merať objem dodatočného plynu. Teoretický pomer objemu plynu je 2:1. Počas elektrolýzy sa z elektrolytu odstráni iba voda ako plynný vodík a plynný kyslík. Preto koncentrácia zriedenej kyseliny sírovej počas elektrolýzy mierne stúpa.
Video nižšie ukazuje sonoelektrolýzu zriedenej kyseliny sírovej pomocou pulzného ultrazvuku (100% amplitúda, cyklický režim, 0.2 sekundy zapnuté, 0.8 sekundy vypnuté). Oba testy boli vykonané pri 2,1 V (DC, konštantné napätie).
Nastavenie sonoelektrolýzy 2 – Jednoduchá dávka
Sklenená nádoba je naplnená elektrolytom zriedenej kyseliny sírovej (H2SO4, 1,0 M). V tomto jednoduchom elektrolytickom článku sú elektródy ponorené do roztoku okyslenej vody. Kladná anódová elektróda je vyrobená z uhlíka (8 mm). Záporná katóda je titánová ultrazvuková sonoelektróda (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 wattov, 30 kHz). Elektrolýza sa uskutoční iba vtedy, keď elektrina prechádza zriedeným roztokom kyseliny sírovej. 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 produkovaný pri elektrolýze zriedenej kyseliny sírovej sa v tomto nastavení nezhromažďujú. Video nižšie ukazuje toto veľmi jednoduché nastavenie v prevádzke.
Caution: Video "duration" is missing
Čo sa deje počas elektrolýzy?
Vodíkové ióny sú priťahované k zápornej katóde. Tam sa molekuly vodíkového iónu alebo vody redukujú na molekuly plynného vodíka elektrónovým ziskom. Výsledkom je, že molekuly plynného vodíka sa uvoľňujú ako plynný vodík. Elektrolýza mnohých reaktívnych kovových solí alebo kyslých roztokov produkuje vodík na zápornej katódovej elektróde.
Záporné síranové ióny alebo stopy hydroxidových iónov sú priťahované k kladnej anóde. Samotný síranový ión je príliš stabilný, takže sa nič nedeje. Hydroxidové ióny alebo molekuly vody sa uvoľňujú a oxidujú na anóde za vzniku kyslíka. Táto pozitívna anódová reakcia je reakcia oxidačnej elektródy stratou elektrónov.
Prečo používame zriedenú kyselinu sírovú?
Voda obsahuje iba nepatrné koncentrácie vodíkových iónov a hydroxidových iónov. To obmedzuje elektrickú vodivosť. Vysoké koncentrácie vodíkových iónov a síranových iónov zo zriedenej kyseliny sírovej zlepšujú elektrickú vodivosť elektrolytu. Prípadne môžete použiť alkalický roztok elektrolytu, ako je hydroxid draselný (KOH) alebo hydroxid sodný (NAOH), a vodu. Elektrolýza mnohých roztokov solí alebo kyseliny sírovej produkuje vodík na zápornej katóde a kyslík na kladnej anóde. Elektrolýzou kyseliny chlorovodíkovej alebo chloridových solí vzniká chlór na anóde.
Čo je to elektrolyzér?
Elektrolyzér je zariadenie na rozdelenie vody na vodík a kyslík v procese známom ako elektrolýza. Elektrolyzér využíva elektrinu na výrobu plynného vodíka a plynného kyslíka. Plynný vodík sa môže skladovať ako stlačený alebo skvapalnený plyn. Vodík je nosičom energie na použitie vo vodíkových palivových článkoch v automobiloch, vlakoch, autobusoch alebo nákladných automobiloch.
Základný elektrolyzér obsahuje katódu (záporný náboj) a anódu (kladný náboj) a periférne komponenty, ako sú čerpadlá, vetracie otvory, skladovacie nádrže, napájací zdroj, separátor a ďalšie komponenty. Elektrolýza vody je elektrochemická reakcia, ktorá prebieha v elektrolyzéri. Anóda a katóda sú poháňané jednosmerným prúdom a voda (H20) sa rozdelí 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.