Соноелектролитичка производња водоника из разблажене сумпорне киселине
Електролизом разблажене сумпорне киселине настају гасовити водоник и гасовити кисеоник. Ултразвучна обрада смањује дебљину дифузионог слоја на површини електроде и побољшава пренос масе током електролизе. Ултразвучна обрада може значајно повећати брзину производње гасовитог водоника у електролитичкој ћелији.
У наставку су описане две експерименталне поставке са угљеничном анодом и титанијумском катодом. Ради демонстрације позитивних ефеката ултразвучне обраде на електролизу, титанијумска катода служи као соноелектрода. Тиме се у електролитичку производњу водоника и кисеоника из разблажене сумпорне киселине уводе ултразвучне вибрације и кавитација. Комбинација ултразвука и електричне струје користи се у соноелектрохемији, соноелектролизи и соноелектросинтези.
Ултразвучни хомогенизатор Hielscher UP100H (100 вати, 30kHz) опремљен је надоградњом за соноелектрохемију. То омогућава коришћење сонотроде као катоде или аноде у електролитичком процесу. За индустријске соноелектролитичке поставке кликните овде!
Соноелектрична катода на ултразвучном процесору UP100H
Поставка за соноелектролизу 1 – Неподељена ћелија типа H
У поставци се користи разблажена сумпорна киселина (H2SO4, 1,0M). Неподељена ћелија типа H пуни се електролитом. Ова ћелија је позната као Хофманов волтаметар. Има три спојена усправна стаклена цилиндра. Средишњи цилиндар је отворен на врху како би се омогућило пуњење електролитом. Отварањем вентила на врху спољашњих цеви омогућава се излазак сваког присутног гаса током пуњења. У електролитичкој ћелији електроде су заптивене гуменим прстеновима и уроњене наопако у раствор закисељене воде. Позитивна анодна електрода направљена је од угљеника (8mm). Негативна катода је титанијумска ултразвучна соноелектрода (10mm, специјална сонотрода са великом површином, Hielscher UP100H, 100 вати, 30kHz). Титанијумска соноелектрода и угљенична електрода су инертне. Електролиза ће се одвијати само када електрична струја пролази кроз раствор разблажене сумпорне киселине. Зато су угљенична анода и титанијумска катода повезане са извором напајања константног напона (једносмерна струја).
Гасовити водоник и гасовити кисеоник настали електролизом разблажене сумпорне киселине сакупљају се у градуисаним спољашњим цевима изнад сваке електроде. Запремина гаса истискује електролит у спољашњим цевима, а запремина додатно насталог гаса може се измерити. Теоријски однос запремина гасова је 2:1. Током електролизе из електролита се уклања само вода у облику гасовитог водоника и гасовитог кисеоника. Због тога концентрација разблажене сумпорне киселине благо расте током електролизе.
Видео у наставку приказује соноелектролизу разблажене сумпорне киселине уз примену пулсне ултразвучне обраде (амплитуда 100%, циклични режим, 0,2 секунде укључено, 0,8 секунди искључено). Оба испитивања спроведена су при 2,1V (једносмерна струја, константан напон).
Поставка за соноелектролизу 2 – Једноставан шаржни поступак
Стаклена посуда пуни се електролитом од разблажене сумпорне киселине (H2SO4, 1,0M). У овој једноставној електролитичкој ћелији електроде су уроњене у раствор закисељене воде. Позитивна анодна електрода направљена је од угљеника (8mm). Негативна катода је титанијумска ултразвучна соноелектрода (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 вати, 30kHz). Електролиза ће се одвијати само када електрична струја пролази кроз раствор разблажене сумпорне киселине. Зато су угљенична анода и титанијумска катода повезане са извором напајања константног напона (једносмерна струја). Титанијумска електрода и угљенична електрода су инертне. Гасовити водоник и гасовити кисеоник настали електролизом разблажене сумпорне киселине не сакупљају се у овој поставци. Видео у наставку приказује ову веома једноставну поставку у раду.
Шта се дешава током електролизе?
Јоне водоника привлачи негативна катода. Тамо се јони водоника или молекули воде примањем електрона редукују до молекула гасовитог водоника. Као резултат тога, молекули водоника издвајају се као гасовити водоник. Електролизом многих соли реактивних метала или раствора киселина настаје водоник на негативној катодној електроди.
Негативне сулфатне јоне или хидроксидне јоне присутне у траговима привлачи позитивна анода. Сам сулфатни јон је превише стабилан, па се ништа не дешава. Хидроксидни јони или молекули воде разелектришу се и оксидују на аноди, при чему настаје кисеоник. Ова реакција на позитивној аноди представља електродну реакцију оксидације губитком електрона.
Зашто користимо разблажену сумпорну киселину?
Вода садржи јоне водоника и хидроксидне јоне само у веома малим концентрацијама. То ограничава електричну проводљивост. Високе концентрације јона водоника и сулфатних јона из разблажене сумпорне киселине побољшавају електричну проводљивост електролита. Алтернативно, можете користити алкални раствор електролита, као што је раствор калијум-хидроксида (KOH) или натријум-хидроксида (NAOH), и воду. Електролизом многих раствора соли или сумпорне киселине настаје водоник на негативној катоди и кисеоник на позитивној аноди. Електролизом хлороводоничне киселине или хлоридних соли настаје хлор на аноди.
Шта је електролизер?
Електролизер је уређај за разлагање воде на водоник и кисеоник у процесу познатом као електролиза. Електролизер користи електричну енергију за производњу гасовитог водоника и гасовитог кисеоника. Гасовити водоник може се складиштити као компримовани или течни гас. Водоник је носилац енергије који се користи у водоничним горивним ћелијама у аутомобилима, возовима, аутобусима или камионима.
Основни електролизер садржи катоду (негативно наелектрисање) и аноду (позитивно наелектрисање) и периферне компоненте, као што су пумпе, отвори за одвод гасова, резервоари за складиштење, извор напајања, сепаратор и друге компоненте. Електролиза воде је електрохемијска реакција која се одвија унутар електролизера. Анода и катода напајају се једносмерном струјом, а вода (H20) се разлаже на своје састојке, водоник (H2) и кисеоник (O2).
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.