Sonoelektrolytisk vätgasproduktion från utspädd svavelsyra
Elektrolys av utspädd svavelsyra producerar vätgas och syrgas. Ultraljudsbehandling minskar diffusionsskiktets tjocklek vid elektrodytan och förbättrar masstransporten under elektrolysen. Ultraljudsbehandling kan öka vätgasproduktionens hastighet i elektrolyscellen avsevärt.
Två försöksuppställningar med en kolanod och en titankatod beskrivs nedan. För att demonstrera ultraljudsbehandlingens positiva effekter på elektrolysen används en sonoelektrod som titankatod. Detta tillför ultraljudsvibrationer och kavitation till den elektrolytiska produktionen av vätgas och syrgas från utspädd svavelsyra. Kombinationen av ultraljud och elektricitet används inom sonoelektrokemi, sonoelektrolys och sonoelektrosyntes.
Ultraljudshomogenisatorn Hielscher UP100H (100 watt, 30kHz) är utrustad med en sonoelektrokemisk uppgradering. Detta gör det möjligt att använda sonotroden som katod eller anod i en elektrolytisk process. Klicka här för industriella sonoelektrolytiska uppställningar!
Sonoelektrisk katod på ultraljudsprocessorn UP100H
Sonoelektrolysuppställning 1 – Odelad cell av H-typ
Uppställningen använder utspädd svavelsyra (H2SO4, 1,0M). En odelad cell av H-typ fylls med elektrolyten. Denna cell kallas Hofmanns voltameter. Den har tre sammankopplade, upprättstående glascylindrar. Den inre cylindern är öppen upptill för att möjliggöra påfyllning av elektrolyt. Genom att öppna ventilerna högst upp på de yttre rören kan eventuell gas släppas ut under påfyllningen. I elektrolyscellen tätas elektroderna med gummiringar och sänks ned upp och ned i lösningen av surgjort vatten. Den positiva anodelektroden är tillverkad av kol (8mm). Den negativa katoden är en ultraljudssonoelektrod av titan (10mm, specialsonotrod med stor yta, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Sonoelektroden av titan och kolelektroden är inerta. Elektrolys sker endast när elektrisk ström leds genom den utspädda svavelsyralösningen. Därför är kolanoden och en titankatod anslutna till ett nätaggregat med konstant spänning (likström).
Vätgasen och syrgasen som produceras vid elektrolysen av den utspädda svavelsyran samlas upp i de graderade yttre rören ovanför respektive elektrod. Gasvolymen tränger undan elektrolyten i de yttre rören, och volymen av den tillkommande gasen kan mätas. Det teoretiska förhållandet mellan gasvolymerna är 2:1. Under elektrolysen avlägsnas endast vatten från elektrolyten i form av vätgas och syrgas. Därför ökar koncentrationen av den utspädda svavelsyran något under elektrolysen.
Videon nedan visar sonoelektrolys av utspädd svavelsyra med pulsad ultraljudsbehandling (100% amplitud, cykelläge, 0,2 sekunder på, 0,8 sekunder av). Båda försöken genomfördes vid 2,1V (likström, konstant spänning).
Sonoelektrolysuppställning 2 – Enkel satsvis process
Ett glaskärl fylls med en elektrolyt av utspädd svavelsyra (H2SO4, 1,0M). I denna enkla elektrolyscell sänks elektroderna ned i en lösning av det surgjorda vattnet. Den positiva anodelektroden är tillverkad av kol (8mm). Den negativa katoden är en ultraljudssonoelektrod av titan (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 watt, 30kHz). Elektrolys sker endast när elektrisk ström leds genom den utspädda svavelsyralösningen. Därför är kolanoden och en titankatod anslutna till ett nätaggregat med konstant spänning (likström). Titanelektroden och kolelektroden är inerta. Vätgasen och syrgasen som produceras vid elektrolysen av den utspädda svavelsyran samlas inte upp i denna uppställning. Videon nedan visar denna mycket enkla uppställning i drift.
Vad händer under elektrolys?
Vätejonerna dras till den negativa katoden. Där reduceras vätejonen eller vattenmolekylerna till vätgasmolekyler genom upptag av elektroner. Som ett resultat avges vätgasmolekyler som vätgas. Elektrolys av många reaktiva metallsalter eller syralösningar producerar vätgas vid den negativa katodelektroden.
De negativa sulfatjonerna eller spåren av hydroxidjoner dras till den positiva anoden. Själva sulfatjonen är alltför stabil, så ingenting händer. Hydroxidjoner eller vattenmolekyler avger elektroner och oxideras vid anoden så att syrgas bildas. Denna reaktion vid den positiva anoden är en elektrodreaktion med oxidation genom avgivande av elektroner.
Varför använder vi utspädd svavelsyra?
Vatten innehåller endast ytterst låga koncentrationer av vätejoner och hydroxidjoner. Detta begränsar den elektriska ledningsförmågan. Höga koncentrationer av vätejoner och sulfatjoner från den utspädda svavelsyran förbättrar elektrolytens elektriska ledningsförmåga. Alternativt kan du använda en alkalisk elektrolytlösning, såsom kaliumhydroxid (KOH) eller natriumhydroxid (NAOH), och vatten. Elektrolys av många saltlösningar eller svavelsyra producerar vätgas vid den negativa katoden och syrgas vid den positiva anoden. Elektrolys av saltsyra eller kloridsalter producerar klor vid anoden.
Vad är en elektrolysör?
En elektrolysör är en anordning som spjälkar vatten till vätgas och syrgas i en process som kallas elektrolys. Elektrolysören använder elektricitet för att producera vätgas och syrgas. Vätgasen kan lagras som komprimerad eller kondenserad gas. Vätgas är en energibärare för användning i vätgasbränsleceller i bilar, tåg, bussar eller lastbilar.
En grundläggande elektrolysör innehåller en katod (negativ laddning) och en anod (positiv laddning) samt kringkomponenter, såsom pumpar, avluftningsanordningar, lagringstankar, ett nätaggregat, en separator och andra komponenter. Vattenelektrolys är en elektrokemisk reaktion som sker inuti elektrolysören. Anoden och katoden matas med likström och vattnet (H20) spjälkas i sina beståndsdelar 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.