Prodhimi sonoelektrolitik i hidrogjenit nga acidi sulfurik i holluar
Elektroliza e acidit sulfurik të holluar prodhon hidrogjen të gaztë dhe oksigjen të gaztë. Trajtimi me ultratinguj zvogëlon trashësinë e shtresës së difuzionit në sipërfaqen e elektrodës dhe përmirëson transferimin e masës gjatë elektrolizës. Trajtimi me ultratinguj mund të rrisë ndjeshëm shpejtësinë e prodhimit të hidrogjenit të gaztë në qelizën elektrolitike.
Më poshtë përshkruhen dy konfigurime eksperimentale me një anodë karboni dhe një katodë titani. Për të demonstruar efektet pozitive të trajtimit me ultratinguj në elektrolizë, katoda e titanit është një sonoelektrodë. Kjo i shton dridhjet ultrasonike dhe kavitacionin prodhimit elektrolitik të hidrogjenit dhe oksigjenit nga acidi sulfurik i holluar. Kombinimi i ultratingujve me energjinë elektrike përdoret në sonoelektrokimi, sonoelektrolizë dhe sonoelektrosintezë.
Homogjenizuesi ultrasonik Hielscher UP100H (100 vat, 30kHz) është i pajisur me një përmirësim sonoelektrokimik. Kjo mundëson përdorimin e sonotrodës si katodë ose anodë në një proces elektrolitik. Për konfigurime sonoelektrolitike industriale, ju lutemi klikoni këtu!
Katodë sonoelektrike në procesorin ultrasonik UP100H
Konfigurimi i sonoelektrolizës 1 – Qelizë e pandarë e tipit H
Konfigurimi përdor acid sulfurik të holluar (H2SO4, 1,0M). Një qelizë e pandarë e tipit H mbushet me elektrolit. Kjo qelizë njihet si voltametër i Hofmann-it. Ajo ka tre cilindra vertikalë qelqi të lidhur me njëri-tjetrin. Cilindri i brendshëm është i hapur në pjesën e sipërme për të mundësuar mbushjen me elektrolit. Hapja e valvulave në pjesën e sipërme të tubave të jashtëm lejon daljen e çdo gazi gjatë mbushjes. Në qelizën elektrolitike, elektrodat izolohen hermetikisht me unaza gome dhe zhyten me kokë poshtë në tretësirën e ujit të acidifikuar. Elektroda pozitive, anoda, është prej karboni (8mm). Katoda negative është një sonoelektrodë ultrasonike titani (10mm, sonotrodë e posaçme me sipërfaqe të madhe, Hielscher UP100H, 100 vat, 30kHz). Sonoelektroda e titanit dhe elektroda e karbonit janë inerte. Elektroliza do të ndodhë vetëm kur rryma elektrike kalon nëpër tretësirën e acidit sulfurik të holluar. Prandaj, anoda e karbonit dhe një katodë titani lidhen me një burim ushqimi me tension konstant (rrymë e vazhduar).
Hidrogjeni i gaztë dhe oksigjeni i gaztë të prodhuar gjatë elektrolizës së acidit sulfurik të holluar mblidhen në tubat e jashtëm të shkallëzuar mbi secilën elektrodë. Vëllimi i gazit zhvendos elektrolitin në tubat e jashtëm dhe vëllimi i gazit shtesë mund të matet. Raporti teorik i vëllimeve të gazeve është 2:1. Gjatë elektrolizës, vetëm uji largohet nga elektroliti në formën e hidrogjenit të gaztë dhe oksigjenit të gaztë. Prandaj, përqendrimi i acidit sulfurik të holluar rritet pak gjatë elektrolizës.
Videoja më poshtë tregon sonoelektrolizën e acidit sulfurik të holluar duke përdorur trajtim pulsues me ultratinguj (amplitudë 100%, modalitet ciklik, 0,2 sekonda aktiv, 0,8 sekonda joaktiv). Të dyja provat u kryen në 2,1V (DC, tension konstant).
Konfigurimi i sonoelektrolizës 2 – Proces i thjeshtë me ngarkesë
Një enë qelqi mbushet me një elektrolit prej acidi sulfurik të holluar (H2SO4, 1,0M). Në këtë qelizë të thjeshtë elektrolitike, elektrodat zhyten në një tretësirë të ujit të acidifikuar. Elektroda pozitive, anoda, është prej karboni (8mm). Katoda negative është një sonoelektrodë ultrasonike titani (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 vat, 30kHz). Elektroliza do të ndodhë vetëm kur rryma elektrike kalon nëpër tretësirën e acidit sulfurik të holluar. Prandaj, anoda e karbonit dhe një katodë titani lidhen me një burim ushqimi me tension konstant (rrymë e vazhduar). Elektroda e titanit dhe elektroda e karbonit janë inerte. Hidrogjeni i gaztë dhe oksigjeni i gaztë të prodhuar gjatë elektrolizës së acidit sulfurik të holluar nuk mblidhen në këtë konfigurim. Videoja më poshtë tregon këtë konfigurim shumë të thjeshtë në funksionim.
Çfarë ndodh gjatë elektrolizës?
Jonet e hidrogjenit tërhiqen drejt katodës negative. Atje, joni i hidrogjenit ose molekulat e ujit reduktohen në molekula hidrogjeni të gaztë duke marrë elektrone. Si rezultat, molekulat e hidrogjenit çlirohen si hidrogjen i gaztë. Elektroliza e shumë kripërave të metaleve reaktive ose e tretësirave acide prodhon hidrogjen në elektrodën e katodës negative.
Jonet negative të sulfatit ose gjurmët e joneve të hidroksidit tërhiqen drejt anodës pozitive. Vetë joni i sulfatit është tepër i qëndrueshëm, kështu që nuk ndodh asgjë. Jonet e hidroksidit ose molekulat e ujit shkarkohen dhe oksidohen në anodë për të formuar oksigjen. Ky reaksion në anodën pozitive është një reaksion elektrodik oksidimi që ndodh përmes humbjes së elektroneve.
Pse përdorim acid sulfurik të holluar?
Uji përmban vetëm përqendrime shumë të vogla të joneve të hidrogjenit dhe të joneve të hidroksidit. Kjo kufizon përçueshmërinë elektrike. Përqendrimet e larta të joneve të hidrogjenit dhe të joneve të sulfatit nga acidi sulfurik i holluar përmirësojnë përçueshmërinë elektrike të elektrolitit. Si alternativë, mund të përdorni një tretësirë elektroliti alkalin, si hidroksidi i kaliumit (KOH) ose hidroksidi i natriumit (NAOH), dhe ujë. Elektroliza e shumë tretësirave të kripërave ose e acidit sulfurik prodhon hidrogjen në katodën negative dhe oksigjen në anodën pozitive. Elektroliza e acidit klorhidrik ose e kripërave klorure prodhon klor në anodë.
Çfarë është një elektrolizues?
Një elektrolizues është një pajisje për ta ndarë ujin në hidrogjen dhe oksigjen përmes një procesi të njohur si elektrolizë. Elektrolizuesi përdor energji elektrike për të prodhuar hidrogjen të gaztë dhe oksigjen të gaztë. Hidrogjeni i gaztë mund të ruhet si gaz i ngjeshur ose i lëngëzuar. Hidrogjeni është një bartës energjie për përdorim në qeliza karburanti me hidrogjen në makina, trena, autobusë ose kamionë.
Një elektrolizues bazë përmban një katodë (ngarkesë negative) dhe një anodë (ngarkesë pozitive), si dhe përbërës periferikë, si pompa, dalje ajrimi, rezervuarë ruajtjeje, një burim ushqimi elektrik, një ndarës dhe përbërës të tjerë. Elektroliza e ujit është një reaksion elektrokimik që ndodh brenda elektrolizuesit. Anoda dhe katoda furnizohen me rrymë të vazhduar dhe uji (H20) ndahet në përbërësit e tij, hidrogjen (H2) dhe oksigjen (O2).
Literatura / Referencat
- 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.