Sonoelektrolytisk väteproduktion från utspädd svavelsyra
Elektrolys av utspädd svavelsyra producerar vätgas och syregas. Ultraljud minskar diffusionsskiktets tjocklek vid elektrodytan och förbättrar massöverföringen under elektrolys. Ultraljud kan öka vätegas produktionshastigheter i den elektrolytiska cellen, betydligt.
Två experimentella inställningar med kolanod och titankatod beskrivs nedan. För att visa de positiva effekterna av ultraljud på elektrolysen är titankatoden en sonoelektrod. Detta lägger ultraljud vibrationer och kavitation till den elektrolytiska produktionen av väte och syre från utspädd svavelsyra. Kombinationen av ultraljud med elektricitet används i sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis och sonoelectrosyntes.
Hielscher ultraljud homogenisator UP100H (100 watt, 30kHz) är utrustad med en sonoelectrochemical uppgradering. Detta gör det möjligt att använda sonotroden som katod eller anod i en elektrolytisk process. För industriella sonoelektrolytiska inställningar, klicka här!
Sonoelektrisk katod på UP100H ultraljud processor
Installationsprogram för Sonoelectrolysis 1 – H-typ Odelad cell
Inställningen använder utspädd svavelsyra (H2SO4, 1,0M). En Odelad cell av H-typ fylls med elektrolyten. Denna cell är känd som en Hofmann Voltameter. Den har tre sammanfogade upprättstående glascylindrar. Innercylindern är öppen upptill för att möjliggöra fyllning med elektrolyt. Genom att öppna ventilerna högst upp på de yttre rören kan all gas komma ut under fyllningen. I den elektrolytiska cellen förseglas elektroderna av gummiringar och nedsänks upp och ner i lösningen av surt vatten. Den positiva anodelektroden är tillverkad av kol (8mm). Den negativa katoden är en titan ultraljud sonoelectrode (10mm, speciell hög yta sonotrode, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Titansonoelektroden och kolelektroden är inerta. Elektrolys kommer endast att ske när elektricitet passerar genom den utspädda svavelsyralösningen. Därför är kolanoden och en titankatod anslutna till en konstant spänningsförsörjning (likström).
Vätgasen och den syregas som produceras i elektrolysen av den utspädda svavelsyran samlas i de graderade yttre rören ovanför varje elektrod. Gasvolymen förskjuter elektrolyten i de yttre rören, och volymen av den extra gasen kan mätas. Det teoretiska förhållandet mellan gasvolymen är 2:1. Under elektrolysen avlägsnas endast vatten från elektrolyten som vätegas och syregas. Därför stiger koncentrationen av den utspädda svavelsyran något under elektrolysen.
Videon nedan visar sonoelektrolysen av utspädd svavelsyra med pulsad ultraljud (100% amplitud, cykelläge, 0,2 sekunder på, 0,8 sekunder avstängd). Båda testerna gjordes vid 2,1V (DC, konstant spänning).
Installationsprogram för Sonoelectrolysis 2 – Enkel batch
Ett glaskärl fylls med en elektrolyt av utspädd svavelsyra (H2SO4, 1,0M). I denna enkla elektrolytiska cell är elektroderna nedsänkta i en lösning av det surgjorda vattnet. Den positiva anodelektroden är tillverkad av kol (8mm). Den negativa katoden är en titan ultraljud sonoelectrode (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Elektrolys kommer endast att ske när elektricitet passerar genom den utspädda svavelsyralösningen. Därför är kolanoden och en titankatod anslutna till en konstant spänningsförsörjning (likström). Titanelektroden och kolelektroden är inerta. Vätgasen och syregasen som produceras i elektrolysen av den utspädda svavelsyran samlas inte in i denna inställning. Videon nedan visar denna mycket enkla installation i drift.
Vad händer under elektrolys?
Vätejonerna lockas till den negativa katoden. Där reduceras vätejon- eller vattenmolekylerna till vätegasmolekyler genom en elektronökning. Som ett resultat släpps vätgasmolekyler ut som vätgas. Elektrolysen av många reaktiva metallsalter eller syralösningar producerar väte vid den negativa katodelektroden.
De negativa sulfatjonerna eller spåren av hydroxidjoner lockas till den positiva anoden. Själva sulfatjonen är för stabil, så att ingenting händer. Hydroxidjoner eller vattenmolekyler släpps ut och oxideras vid anoden för att bilda syre. Denna positiva anodreaktion är en oxidationselektrodreaktion genom en elektronförlust.
Varför använder vi utspädd svavelsyra?
Vatten innehåller endast minimala koncentrationer av vätejoner och hydroxidjoner. Detta begränsar elektrisk ledningsförmåga. Höga koncentrationer av vätejoner och sulfatjoner från den utspädda svavelsyran förbättrar elektrolytens elektriska ledningsförmåga. Alternativt kan du använda alkalisk elektrolytlösning som kaliumhydroxid (KOH) eller natriumhydroxid (NAOH) och vatten. Elektrolysen av många lösningar av salter eller svavelsyra producerar väte vid den negativa katoden och syret vid den positiva anoden. Elektrolysen av saltsyra eller kloridsalter producerar klor vid anoden.
Vad är en Electrolyzer?
En elektrolysare är en anordning för att separera vatten i väte och syre i en process som kallas elektrolys. Elektrolysatorn använder elektricitet för att producera vätgas och syregas. Vätgasen kan lagras som komprimerad eller flytande gas. Vätgas är ett energibärare för användning i vätgasbränslecell i bilar, tåg, bussar eller lastbilar.
En grundläggande elektrolysator innehåller en katod (negativ laddning) och en anod (positiv laddning) och perifera komponenter, såsom pumpar, ventiler, lagringstankar, en strömförsörjning, en separator och andra komponenter. Vattenelektrolys är en elektrokemisk reaktion som uppstår inom elektrolysatorn. Anoden och katoden drivs av en likström och vattnet (H20) delas upp i dess komponenter väte (H2) och syre (O2).
Litteratur / Referenser
- 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.