Sonоelektrolitska proizvodnja vodika iz razredčene žveplove kisline

Pri elektrolizi razredčene žveplove kisline nastajata plinasti vodik in plinasti kisik. Ultrazvočna obdelava zmanjša debelino difuzijske plasti na površini elektrode in izboljša prenos snovi med elektrolizo. Ultrazvočna obdelava lahko znatno poveča hitrost proizvodnje plinastega vodika v elektrolitski celici.

Spodaj sta opisani dve eksperimentalni postavitvi z ogljikovo anodo in titanovo katodo. Za prikaz pozitivnih učinkov ultrazvočne obdelave na elektrolizo je titanova katoda sonoelektroda. S tem se elektrolitski proizvodnji vodika in kisika iz razredčene žveplove kisline dodajo ultrazvočne vibracije in kavitacija. Kombinacija ultrazvoka in elektrike se uporablja v sonoelektrokemiji, sonoelektrolizi in sonoelektrosintezi.
Ultrazvočni homogenizator Hielscher UP100H (100 vatov, 30kHz) je opremljen s sonoelektrokemijsko nadgradnjo. Ta omogoča uporabo sonotrode kot katode ali anode v elektrolitskem procesu. Za industrijske sonoelektrolitske postavitve kliknite tukaj!

Postavitev za sonoelektrolizo 1 – Nerazdeljena celica tipa H

V postavitvi se uporablja razredčena žveplova kislina (H2SO4, 1,0M). Nerazdeljena celica tipa H je napolnjena z elektrolitom. Ta celica je znana kot Hofmannov voltameter. Ima tri povezane navpične steklene valje. Srednji valj je na vrhu odprt, kar omogoča polnjenje z elektrolitom. Z odprtjem ventilov na vrhu zunanjih cevi lahko med polnjenjem uhaja ves plin. V elektrolitski celici sta elektrodi zatesnjeni z gumijastimi obroči in obrnjeni na glavo potopljeni v raztopino nakisane vode. Pozitivna anodna elektroda je izdelana iz ogljika (8mm). Negativna katoda je titanova ultrazvočna sonoelektroda (10mm, posebna sonotroda z veliko površino, Hielscher UP100H, 100 vatov, 30kHz). Titanova sonoelektroda in ogljikova elektroda sta inertni. Elektroliza poteka samo, kadar skozi raztopino razredčene žveplove kisline teče električni tok. Zato sta ogljikova anoda in titanova katoda priključeni na napajalnik s konstantno napetostjo (enosmerni tok).
Plinasti vodik in plinasti kisik, ki nastajata pri elektrolizi razredčene žveplove kisline, se zbirata v graduiranih zunanjih ceveh nad posameznima elektrodama. Prostornina plina izpodriva elektrolit v zunanjih ceveh, prostornino dodatnega plina pa je mogoče izmeriti. Teoretično razmerje prostornin plinov je 2:1. Med elektrolizo se iz elektrolita odstranjuje samo voda v obliki plinastega vodika in plinastega kisika. Zato koncentracija razredčene žveplove kisline med elektrolizo nekoliko naraste.
Spodnji videoposnetek prikazuje sonoelektrolizo razredčene žveplove kisline s pulzno ultrazvočno obdelavo (100% amplituda, ciklični način, 0,2 sekunde vklopljeno, 0,8 sekunde izklopljeno). Oba preskusa sta bila izvedena pri 2,1V (enosmerni tok, konstantna napetost).

Ta videoposnetek prikazuje pozitiven vpliv neposredne ultrazvočne obdelave elektrode na električni tok v elektrolizatorju s celico H. Uporablja se ultrazvočni homogenizator Hielscher UP100H (100 vatov, 30kHz) z nadgradnjo za elektrokemijo in titanovo elektrodo/sonotrodo. Pri elektrolizi razredčene žveplove kisline nastajata plinasti vodik in kisik. Ultrazvočna obdelava zmanjša debelino difuzijske plasti na površini elektrode in izboljša prenos snovi med elektrolizo. Ultrazvočna obdelava lahko bistveno poveča hitrost nastajanja plinastega vodika v elektrolitski celici.

Postavitev za sonoelektrolizo 2 – Preprosta šaržna postavitev

Steklena posoda je napolnjena z elektrolitom iz razredčene žveplove kisline (H2SO4, 1,0M). V tej preprosti elektrolitski celici sta elektrodi potopljeni v raztopino nakisane vode. Pozitivna anodna elektroda je izdelana iz ogljika (8mm). Negativna katoda je titanova ultrazvočna sonoelektroda (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vatov, 30kHz). Elektroliza poteka samo, kadar skozi raztopino razredčene žveplove kisline teče električni tok. Zato sta ogljikova anoda in titanova katoda priključeni na napajalnik s konstantno napetostjo (enosmerni tok). Titanova elektroda in ogljikova elektroda sta inertni. Plinasti vodik in plinasti kisik, ki nastajata pri elektrolizi razredčene žveplove kisline, se v tej postavitvi ne zbirata. Spodnji videoposnetek prikazuje delovanje te zelo preproste postavitve.

Ta videoposnetek prikazuje pozitiven vpliv neposredne ultrazvočne obdelave elektrode na električni tok. Uporablja se ultrazvočni homogenizator Hielscher UP100H (100 vatov, 30kHz) z nadgradnjo za elektrokemijo in titanovo elektrodo/sonotrodo. Pri elektrolizi razredčene žveplove kisline nastajata plinasti vodik in kisik. Ultrazvočna obdelava zmanjša debelino difuzijske plasti na površini elektrode in izboljša prenos snovi med elektrolizo. Ultrazvočna obdelava lahko bistveno poveča hitrost nastajanja plinastega vodika v elektrolitski celici.

Kaj se dogaja med elektrolizo?

Vodikove ione privlači negativna katoda. Tam se vodikov ion ali molekule vode s sprejemanjem elektronov reducirajo v molekule plinastega vodika. Posledično se molekule plinastega vodika sproščajo kot plinasti vodik. Pri elektrolizi številnih soli reaktivnih kovin ali raztopin kislin nastaja vodik na negativni katodni elektrodi.
Negativne sulfatne ione ali sledove hidroksidnih ionov privlači pozitivna anoda. Sam sulfatni ion je preveč stabilen, zato se z njim nič ne zgodi. Hidroksidni ioni ali molekule vode se na anodi razelektrijo in oksidirajo, pri čemer nastane kisik. Ta reakcija na pozitivni anodi je oksidacijska elektrodna reakcija z oddajanjem elektronov.

Zakaj uporabljamo razredčeno žveplovo kislino?

Voda vsebuje le zelo majhne koncentracije vodikovih ionov in hidroksidnih ionov. To omejuje električno prevodnost. Visoke koncentracije vodikovih ionov in sulfatnih ionov iz razredčene žveplove kisline izboljšajo električno prevodnost elektrolita. Kot alternativo lahko uporabite raztopino alkalnega elektrolita, kot je kalijev hidroksid (KOH) ali natrijev hidroksid (NAOH), in vodo. Pri elektrolizi številnih raztopin soli ali žveplove kisline nastaja vodik na negativni katodi in kisik na pozitivni anodi. Pri elektrolizi klorovodikove kisline ali kloridnih soli nastaja klor na anodi.

Kaj je elektrolizator?

Elektrolizator je naprava za razcep vode na vodik in kisik v procesu, imenovanem elektroliza. Elektrolizator za proizvodnjo plinastega vodika in plinastega kisika uporablja električno energijo. Plinasti vodik je mogoče shranjevati kot stisnjen ali utekočinjen plin. Vodik je nosilec energije za uporabo v vodikovih gorivnih celicah v avtomobilih, vlakih, avtobusih ali tovornjakih.
Osnovni elektrolizator vsebuje katodo (negativni naboj) in anodo (pozitivni naboj) ter pomožne sestavne dele, kot so črpalke, odzračevalni elementi, rezervoarji za shranjevanje, napajalnik, separator in drugi sestavni deli. Elektroliza vode je elektrokemijska reakcija, ki poteka v elektrolizatorju. Anoda in katoda se napajata z enosmernim tokom, voda (H20) pa se razcepi na svoji sestavini, vodik (H2) in kisik (O2).

Sorodne teme

Literatura / Viri

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.