Sonoelektrolitični vodik Proizvodnja iz razredčne žveplove kisline
Elektroliza razredčene žveplove kisline proizvaja vodikov plin in kisikov plin. Ultrasonication zmanjšuje debelino difuzijskih plasti na površini elektrode in izboljša prenos mase med elektrolizo. Ultrasonication lahko poveča stopnjo proizvodnje vodikovega plina v elektrolitični celici, bistveno.
Spodaj sta opisani dve eksperimentalni nagradi z ogljikovo anodo in titanovo katodo. Za dokaz pozitivnih učinkov ultrasonication na elektrolizo, titanova katoda je sonoelektrična. To dodaja ultrazvočne vibracije in kavitacijo v elektrolitično proizvodnjo vodika in kisika iz razredčen žveplove kisline. Kombinacija ultrazvočnosti z električno energijo se uporablja v sonoelektrokemijo, sonoelektrolizi in sonoelektrozi.
Ultrazvočni homogenizator Hielscher UP100H (100 vatov, 30kHz) je opremljen s sonoelektrokemično nadgradnjo. To omogoča uporabo sonotrode kot katode ali anode v elektrolitičnem procesu. Za industrijske sonoelektrolitične nastavitve kliknite tukaj!
Sonoelektrična katoda na ULTRAZVOČNEM PROCESORJU UP100H
Nastavitev sonoelektrolize 1 – Nedeljena celica tipa H
Nastavitev uporablja razredčljivo žveplovo kislino (H2SO4, 1,0M). Celica tipa H je napolnjena z elektroliti. Ta celica je znana kot Hofmann voltameter. Ima tri združene pokončno steklene jeklenke. Notranji jeklenka je odprta na vrhu, da omogoča polnjenje z elektroliti. Odpiranje ventilov na vrhu odprtih cevi omogoča beg katerega koli plina med polnjenjem. V elektrolitični celici so elektrode zaprte z gumijastimi obroči in se vmešajo na glavo v raztopino zakisnjene vode. Pozitivna anodna elektroda je narejena iz ogljika (8mm). Negativna katoda je titanska ultrazvočna sonoelektroda (10mm, posebna visoka površina sonotrode, Hielscher UP100H, 100 vatov, 30kHz). Titanova sonoelektrična in ogljikova elektroda sta inertni. Elektroliza se bo opravila šele, ko bo električna energija skozi raztopino razredčne žveplove kisline. Zato sta ogljikova anoda in katoda titana povezana s stalnim napetostnim napajanjem (neposredni tok).
Vodikov plin in kisikov plin, proizveden v elektrolizi razredčene žveplove kisline, se zbereta v diplomiranih ceveh nad vsako elektrodo. Prostornina plina pomika elektrolit v zunaj cevi, prostornino dodatnega plina pa je mogoče izmeriti. Teoretično razmerje prostornine plina je 2:1. Med elektrolizo se iz elektrolita odstrani le voda kot vodikov plin in kisikov plin. Zato se koncentracija razredčene žveplove kisline med elektrolizo nekoliko dvigne.
Spodnji video prikazuje sonoelektrolizo razredčene žveplove kisline z uporabo pulznega ultrasonikacije (100% amplitude, način cikla, 0,2 sekunde naprej, 0,8 sekund off). Oba testa sta bila opravljena pri 2,1V (DC, stalna napetost).
Nastavitev sonoelektrolize 2 – Preprosta serija
Steklena posoda je napolnjena z elektrolito razredčene žveplove kisline (H2SO4, 1,0M). V tej preprosti elektrolitični celici se elektrode vmešajo v raztopino zakisnjene vode. Pozitivna anodna elektroda je narejena iz ogljika (8mm). Negativna katoda je titanska ultrazvočna sonoelektričnaroda (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vatov, 30kHz). Elektroliza se bo opravila šele, ko bo električna energija skozi raztopino razredčne žveplove kisline. Zato sta ogljikova anoda in katoda titana povezana s stalnim napetostnim napajanjem (neposredni tok). Titanova elektroda in ogljikova elektroda sta inerti. Vodikov plin in kisikov plin, proizveden v elektrolizi razredčilne žveplove kisline, se v tej nastavitvi ne zbirata. Spodnji videoposnetek prikazuje to zelo preprosto nastavitev v obratovanju.
Kaj se zgodi med elektrolizo?
Vodikove ione privlači negativna katoda. Tam se molekule vodikovega iona ali vode z elektronom zmanjšajo na molekule vodikovega plina. Zaradi tega se molekule vodikovih plinov izpuščajo kot vodikov plin. Elektroliza številnih reaktivnih kovinskih soli ali kislinskih raztopin proizvaja vodik na negativni katodni elektrodi.
Negativne sulfatne ione ali sledi hidroksidnih ionov privlači pozitivna anoda. Sam sulfat ion je preveč stabilen, tako da se nič ne zgodi. Hidroksid ioni ali molekule vode se izpuščajo in oksidirajo na anodi, da tvorijo kisik. Ta pozitivna reakcija anod je oksidacijo elektrodna reakcija z izgubo elektrona.
Zakaj uporabljamo razredčljivo žveplovo kislino?
Voda vsebuje samo minutne koncentracije vodikovih ionov in hidroksidnih ionov. To omejuje električno prevodnost. Visoke koncentracije vodikovih ionov in sulfatnih ionov iz razredčene žveplove kisline izboljšujejo električno prevodnost elektrolita. Lahko pa uporabite tudi raztopino alkalnega elektrolita, kot je kalijev hidroksid (KOH) ali natrijev hidroksid (NAOH) in vodo. Elektroliza številnih raztopin soli ali žveplove kisline proizvaja vodik na negativni katodi in kisiku na pozitivni anodi. Elektroliza klorovodikovih kislin ali kloridnih soli proizvaja klor na anodi.
Kaj je elektrolizator?
Elektrolizator je naprava za ločuje vodo v vodik in kisik v procesu, znanem kot elektroliza. Elektrolizer uporablja elektriko za proizvodnjo vodikovega plina in kisika. Vodikov plin se lahko shrani kot stisnjena ali utekočinjena 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) in periferne komponente, kot so črpalke, ventilatorji, rezervoarji za shranjevanje, napajalnik, ločilo in druge komponente. Vodna elektroliza je elektrokemična reakcija, ki se pojavi znotraj elektrolizerja. Anoda in katoda se napajata z neposrednim tokom, voda (H20) pa je razdeljena na njegove komponente vodik (H2) in kisik (O2).
Literatura/reference
- 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.