Соноелектролитичка производња водоника из разблажене сумпорне киселине
Електролиза разблажене сумпорне киселине производи гас водоник и гас кисеоника. Ултразвучна обрада смањује дебљину дифузионог слоја на површини електроде и побољшава пренос масе током електролизе. Ултразвучна обрада може значајно повећати стопе производње гаса водоника у електролитичкој ћелији.
Две експерименталне поставке са угљеничном анодом и титанијумском катодом су описане у наставку. Да би се демонстрирали позитивни ефекти ултразвучне обраде на електролизу, титанијумска катода је соноелектрода. Ово додаје ултразвучне вибрације и кавитацију електролитичкој производњи водоника и кисеоника из разблажене сумпорне киселине. Комбинација ултразвука и електричне енергије користи се у соноелектрохемији, соноелектролизи и соноелектросинтези.
Хиелсцхер ултразвучни хомогенизатор УП100Х (100 вати, 30 кХз) је опремљен соноелектрохемијском надоградњом. Ово омогућава да се сонотрода користи као катода или анода у електролитичком процесу. За индустријске соноелектролитичке поставке, кликните овде!
Соноелектрична катода на ултразвучном процесору УП100Х
Подешавање соноелектролизе 1 – Недељена ћелија типа Х
Подешавање користи разблажену сумпорну киселину (Х2СО4, 1,0 М). Неподељена ћелија Х типа је напуњена електролитом. Ова ћелија је позната као Хофманов волтаметар. Има три спојена усправна стаклена цилиндра. Унутрашњи цилиндар је отворен на врху како би се омогућило пуњење електролитом. Отварање вентила на врху спољних цеви омогућава да било који гас побегне током пуњења. У електролитичкој ћелији, електроде су запечаћене гуменим прстеновима и потопљене наопачке у раствор закисељене воде. Позитивна анода електрода је направљена од угљеника (8мм). Негативна катода је титанијумска ултразвучна соноелектрода (10 мм, специјална сонотрода велике површине, Хиелсцхер УП100Х, 100 вати, 30 кХз). Титанијумска соноелектрода и угљенична електрода су инертне. Електролиза ће се одвијати само када се електрична енергија пропушта кроз разблажени раствор сумпорне киселине. Због тога су угљенична анода и титанијумска катода прикључене на напајање константног напона (једносмерна струја).
Гас водоник и гас кисеоника који настају електролизом разблажене сумпорне киселине сакупљају се у градуисаним спољним цевима изнад сваке електроде. Запремина гаса истискује електролит у спољним цевима, а запремина додатног гаса се може мерити. Теоретски однос запремине гаса је 2:1. Током електролизе, само вода се уклања из електролита у виду гаса водоника и гаса кисеоника. Дакле, концентрација разблажене сумпорне киселине благо расте током електролизе.
Видео испод приказује соноелектролизу разблажене сумпорне киселине помоћу пулсне ултразвучне обраде (100% амплитуда, циклусни режим, 0,2 секунде укључено, 0,8 секунди искључено). Оба теста су обављена на 2.1В (ДЦ, константни напон).
Подешавање соноелектролизе 2 – Симпле Батцх
Стаклена посуда је напуњена електролитом разблажене сумпорне киселине (Х2СО4, 1,0 М). У овој једноставној електролитичкој ћелији, електроде су уроњене у раствор закисељене воде. Позитивна анода електрода је направљена од угљеника (8мм). Негативна катода је титанијумска ултразвучна соноелектрода (10 мм, МС10, Хиелсцхер УП100Х, 100 вати, 30 кХз). Електролиза ће се одвијати само када се електрична енергија пропушта кроз разблажени раствор сумпорне киселине. Због тога су угљенична анода и титанијумска катода прикључене на напајање константног напона (једносмерна струја). Титанијумска електрода и угљенична електрода су инертне. Гас водоник и гас кисеоника произведени у електролизи разблажене сумпорне киселине се не сакупљају у овој поставци. Видео испод приказује ово врло једноставно подешавање у раду.
Шта се дешава током електролизе?
Јони водоника привлаче негативну катоду. Тамо се јон водоника или молекули воде редукују у молекуле водоничног гаса путем добијања електрона. Као резултат тога, молекули водоника се испуштају као водоник. Електролиза многих реактивних металних соли или киселих раствора производи водоник на електроди негативне катоде.
Негативни сулфатни јони или трагови хидроксидних јона привлаче се позитивном анодом. Сам сулфатни јон је превише стабилан, тако да се ништа не дешава. Хидроксидни јони или молекули воде се испуштају и оксидују на аноди да би се формирао кисеоник. Ова позитивна анодна реакција је реакција оксидационе електроде губитком електрона.
Зашто користимо разблажену сумпорну киселину?
Вода садржи само мале концентрације јона водоника и хидроксидних јона. Ово ограничава електричну проводљивост. Високе концентрације водоникових јона и сулфатних јона из разблажене сумпорне киселине побољшавају електричну проводљивост електролита. Алтернативно, можете користити раствор алкалног електролита као што је калијум хидроксид (КОХ) или натријум хидроксид (НАОХ) и воду. Електролиза многих раствора соли или сумпорне киселине производи водоник на негативној катоди и кисеоник на позитивној аноди. Електролизом хлороводоничне киселине или соли хлорида настаје хлор на аноди.
Шта је електролизер?
Електролизер је уређај за раздвајање воде на водоник и кисеоник у процесу познатом као електролиза. Електролизер користи електричну енергију за производњу гаса водоника и гаса кисеоника. Гас водоник се може складиштити као компримовани или течни гас. Водоник је енергетски носач за употребу у водоничним горивним ћелијама у аутомобилима, возовима, аутобусима или камионима.
Основни електролизатор садржи катоду (негативно наелектрисање) и аноду (позитивно наелектрисање) и периферне компоненте, као што су пумпе, вентилациони отвори, резервоари за складиштење, напајање, сепаратор и друге компоненте. Електролиза воде је електрохемијска реакција која се дешава унутар електролизера. Анода и катода се напајају једносмерном струјом, а вода (Х20) се дели на своје компоненте водоник (Х2) и кисеоник (О2).
Литература / Референце
- 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.