Prodhimi i hidrogjenit sonoelektrolitik nga acidi sulfurik i holluar
Elektroliza e acidit sulfurik të holluar prodhon gaz hidrogjen dhe gaz oksigjen. Ultratingulli zvogëlon trashësinë e shtresës së difuzionit në sipërfaqen e elektrodës dhe përmirëson transferimin e masës gjatë elektrolizës. Ultratingulli mund të rrisë ndjeshëm normat e prodhimit të gazit të hidrogjenit në qelizën elektrolitike.
Dy instalime eksperimentale me një anodë karboni dhe një katodë titani janë përshkruar më poshtë. Për të demonstruar efektet pozitive të ultrazërit në elektrolizë, katoda e titanit është një elektrodë sono. Kjo shton dridhjet tejzanor dhe kavitacionin në prodhimin elektrolitik të hidrogjenit dhe oksigjenit nga acidi sulfurik i holluar. Kombinimi i ultrazërit me energjinë elektrike përdoret në sonoelektrokimi, sonoelektrolizë dhe sonoelektrosintezë.
Homogjenizuesi tejzanor Hielscher UP100H (100 vat, 30 kHz) është i pajisur me një përmirësim sonoelektrokimik. Kjo ju lejon të përdorni sonotrode si një katodë ose anodë në një proces elektrolitik. Për instalimet sonoelektrolitike industriale, ju lutemi klikoni këtu!
Katodë Sonoelectric në procesor tejzanor 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 është e mbushur me elektrolit. Kjo qelizë njihet si voltametër Hofmann. Ka tre cilindra xhami të bashkuar vertikalisht. Cilindri i brendshëm është i hapur në krye për të lejuar mbushjen me elektrolit. Hapja e valvulave në krye të tubave të jashtëm lejon që çdo gaz të dalë gjatë mbushjes. Në qelizën elektrolitike, elektrodat mbyllen me unaza gome dhe zhyten me kokë poshtë në tretësirën e ujit të acidifikuar. Elektroda e anodës pozitive është prej karboni (8 mm). Katoda negative është një sonoelektrod tejzanor titan (10 mm, sonotrode speciale me sipërfaqe të lartë, Hielscher UP100H, 100 watts, 30 kHz). Sonoelektroda e titanit dhe elektroda e karbonit janë inerte. Elektroliza do të bëhet vetëm kur energjia elektrike kalon përmes tretësirës së holluar të acidit sulfurik. Prandaj, anoda e karbonit dhe një katodë titani janë të lidhura me një furnizim me tension të vazhdueshëm (rrymë direkte).
Gazi i hidrogjenit dhe gazi i oksigjenit të prodhuar në elektrolizën e 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 vëllimit të gazit është 2:1. Gjatë elektrolizës, vetëm uji hiqet nga elektroliti si gaz hidrogjen dhe gaz oksigjen. Prandaj, përqendrimi i acidit sulfurik të holluar rritet pak gjatë elektrolizës.
Videoja më poshtë tregon sonoelektrolizën e acidit sulfurik të holluar duke përdorur ultratinguj pulsues (100% amplitudë, modaliteti i ciklit, 0,2 sekonda ndezur, 0,8 sekonda fikur). Të dy testet u kryen në 2.1 V (DC, tension konstant).
Konfigurimi i sonoelektrolizës 2 – Grup i thjeshtë
Një enë qelqi është e mbushur me një elektrolit të acidit sulfurik të holluar (H2SO4, 1.0 M). Në këtë qelizë të thjeshtë elektrolitike, elektrodat zhyten në një zgjidhje të ujit të acidifikuar. Elektroda e anodës pozitive është prej karboni (8 mm). Katoda negative është një sonoelektrodë tejzanor titani (10 mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watts, 30 kHz). Elektroliza do të bëhet vetëm kur energjia elektrike kalon përmes tretësirës së holluar të acidit sulfurik. Prandaj, anoda e karbonit dhe një katodë titani janë të lidhura me një furnizim me tension të vazhdueshëm (rrymë direkte). Elektroda e titanit dhe elektroda e karbonit janë inerte. Gazi hidrogjen dhe gazi i oksigjenit të prodhuar në elektrolizën e acidit sulfurik të holluar nuk mblidhen në këtë përbërje. Videoja më poshtë tregon këtë konfigurim shumë të thjeshtë në funksionim.
Çfarë ndodh gjatë elektrolizës?
Jonet e hidrogjenit tërhiqen nga katoda negative. Atje, molekulat e joneve të hidrogjenit ose ujit reduktohen në molekula të gazit të hidrogjenit nga një fitim elektronik. Si rezultat, molekulat e gazit të hidrogjenit shkarkohen si gaz hidrogjeni. Elektroliza e shumë kripërave reaktive të metaleve ose solucioneve acide prodhon hidrogjen në elektrodën e katodës negative.
Jonet negative të sulfatit ose gjurmët e joneve hidroksid tërhiqen në anodë pozitive. Vetë joni i sulfatit është shumë i qëndrueshëm, kështu që asgjë nuk ndodh. Jonet e hidroksidit ose molekulat e ujit shkarkohen dhe oksidohen në anodë për të formuar oksigjen. Ky reaksion pozitiv i anodës është një reaksion elektrodë oksidimi nga një humbje e elektroneve.
Pse përdorim acid sulfurik të holluar?
Uji përmban vetëm përqendrime të vogla të joneve të hidrogjenit dhe joneve hidroksid. Kjo kufizon përçueshmërinë elektrike. Përqendrimet e larta të joneve të hidrogjenit dhe joneve sulfate nga acidi sulfurik i holluar përmirësojnë përçueshmërinë elektrike të elektrolitit. Përndryshe, ju mund të përdorni një zgjidhje alkaline të elektrolitit si hidroksid kaliumi (KOH) ose hidroksid natriumi (NAOH) dhe ujë. Elektroliza e shumë tretësirave të kripërave ose acidit sulfurik prodhon hidrogjen në katodën negative dhe oksigjen në anodë pozitive. Elektroliza e acidit klorhidrik ose kripërave të klorurit prodhon klor në anodë.
Çfarë është një elektrolizer?
Një elektrolizues është një pajisje për ndarjen e ujit në hidrogjen dhe oksigjen në një proces të njohur si elektrolizë. Elektrolizatori përdor energjinë elektrike për të prodhuar gaz hidrogjen dhe gaz oksigjen. Gazi i hidrogjenit mund të ruhet si gaz i ngjeshur ose i lëngshëm. Hidrogjeni është një bartës energjie për përdorim në qelizat e karburantit të hidrogjenit në makina, trena, autobusë ose kamionë.
Një elektrolizer bazë përmban një katodë (ngarkesë negative) dhe një anodë (ngarkesë pozitive) dhe komponentë periferikë, të tillë si pompat, ndenjat e ajrit, rezervuarët e magazinimit, një furnizim me energji elektrike, një ndarës dhe komponentë të tjerë. Elektroliza e ujit është një reaksion elektrokimik që ndodh brenda elektrolizuesit. Anoda dhe katoda mundësohen nga një rrymë e drejtpërdrejtë 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.