การผลิตไฮโดรเจนจากกรดซัลฟิวริกเจือจางด้วยอิเล็กโทรลิซิสที่ใช้อัลตราซาวนด์ร่วมด้วย
การแยกกรดซัลฟิวริกเจือจางด้วยไฟฟ้าทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยลดความหนาของชั้นการแพร่ที่พื้นผิวขั้วไฟฟ้าและปรับปรุงการถ่ายเทมวลระหว่างการแยกด้วยไฟฟ้า การใช้อัลตราซาวนด์สามารถเพิ่มอัตราการผลิตก๊าซไฮโดรเจนในเซลล์อิเล็กโทรลิซิสได้อย่างมีนัยสำคัญ
ด้านล่างนี้อธิบายชุดการทดลองสองแบบที่ใช้ขั้วแอโนดคาร์บอนและขั้วแคโทดไทเทเนียม เพื่อแสดงผลเชิงบวกของการใช้อัลตราซาวนด์ต่อการแยกด้วยไฟฟ้า ขั้วแคโทดไทเทเนียมจึงเป็นขั้วไฟฟ้าอัลตราโซนิก ซึ่งเพิ่มการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกและการเกิดคาวิเทชันให้กับการผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจนจากกรดซัลฟิวริกเจือจางด้วยไฟฟ้า การใช้อัลตราซาวนด์ร่วมกับไฟฟ้านำไปใช้ในเคมีไฟฟ้าที่ใช้อัลตราซาวนด์ร่วมด้วย อิเล็กโทรลิซิสที่ใช้อัลตราซาวนด์ร่วมด้วย และการสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าที่ใช้อัลตราซาวนด์ร่วมด้วย
เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิก Hielscher รุ่น UP100H (100 วัตต์, 30kHz) ติดตั้งชุดอัปเกรดสำหรับเคมีไฟฟ้าที่ใช้อัลตราซาวนด์ร่วมด้วย ซึ่งช่วยให้ใช้โซโนโทรดเป็นขั้วแคโทดหรือขั้วแอโนดในกระบวนการแยกด้วยไฟฟ้าได้ สำหรับชุดอิเล็กโทรลิซิสที่ใช้อัลตราซาวนด์ร่วมด้วยในระดับอุตสาหกรรม โปรดคลิกที่นี่!
ขั้วแคโทดโซโนอิเล็กทริกบนเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิก UP100H
ชุดอิเล็กโทรลิซิสที่ใช้อัลตราซาวนด์ร่วมด้วยแบบที่ 1 – เซลล์รูปตัว H แบบไม่แบ่งห้อง
ชุดการทดลองนี้ใช้กรดซัลฟิวริกเจือจาง (H2SO4, 1.0M) โดยเติมอิเล็กโทรไลต์ลงในเซลล์รูปตัว H แบบไม่แบ่งห้อง เซลล์นี้เรียกว่าโวลตามิเตอร์ของ Hofmann ประกอบด้วยกระบอกแก้วแนวตั้งสามกระบอกที่เชื่อมต่อกัน กระบอกตรงกลางเปิดที่ด้านบนเพื่อให้เติมอิเล็กโทรไลต์ได้ การเปิดวาล์วที่ด้านบนของหลอดด้านนอกช่วยให้ก๊าซใด ๆ ระบายออกได้ระหว่างการเติม ในเซลล์อิเล็กโทรลิซิส ขั้วไฟฟ้าถูกผนึกด้วยวงแหวนยางและจุ่มในลักษณะกลับหัวลงในสารละลายน้ำที่เติมกรด ขั้วแอโนดที่มีประจุบวกทำจากคาร์บอน (8mm) ขั้วแคโทดที่มีประจุลบเป็นขั้วไฟฟ้าอัลตราโซนิกไทเทเนียม (10mm, โซโนโทรดชนิดพิเศษที่มีพื้นที่ผิวสูง, Hielscher UP100H, 100 วัตต์, 30kHz) ขั้วไฟฟ้าอัลตราโซนิกไทเทเนียมและขั้วไฟฟ้าคาร์บอนมีความเฉื่อยทางเคมี การแยกด้วยไฟฟ้าจะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสารละลายกรดซัลฟิวริกเจือจางเท่านั้น ดังนั้น ขั้วแอโนดคาร์บอนและขั้วแคโทดไทเทเนียมจึงเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟแรงดันคงที่ (กระแสตรง)
ก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนที่เกิดจากการแยกกรดซัลฟิวริกเจือจางด้วยไฟฟ้าจะถูกรวบรวมไว้ในหลอดด้านนอกที่มีขีดบอกปริมาตรเหนือขั้วไฟฟ้าแต่ละขั้ว ปริมาตรก๊าซจะแทนที่อิเล็กโทรไลต์ในหลอดด้านนอก และสามารถวัดปริมาตรก๊าซที่เพิ่มขึ้นได้ อัตราส่วนปริมาตรก๊าซตามทฤษฎีคือ 2:1 ระหว่างการแยกด้วยไฟฟ้า มีเพียงน้ำเท่านั้นที่ถูกนำออกจากอิเล็กโทรไลต์ในรูปของก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน ดังนั้น ความเข้มข้นของกรดซัลฟิวริกเจือจางจึงเพิ่มขึ้นเล็กน้อยระหว่างการแยกด้วยไฟฟ้า
วิดีโอด้านล่างแสดงการแยกกรดซัลฟิวริกเจือจางด้วยไฟฟ้าที่ใช้อัลตราซาวนด์ร่วมด้วย โดยใช้อัลตราซาวนด์แบบพัลส์ (แอมพลิจูด 100%, โหมดรอบการทำงาน, เปิด 0.2 วินาที, ปิด 0.8 วินาที) การทดสอบทั้งสองครั้งดำเนินการที่ 2.1V (กระแสตรง, แรงดันคงที่)
ชุดอิเล็กโทรลิซิสที่ใช้อัลตราซาวนด์ร่วมด้วยแบบที่ 2 – แบบแบตช์อย่างง่าย
เติมอิเล็กโทรไลต์กรดซัลฟิวริกเจือจาง (H2SO4, 1.0M) ลงในภาชนะแก้ว ในเซลล์อิเล็กโทรลิซิสอย่างง่ายนี้ ขั้วไฟฟ้าจะจุ่มอยู่ในสารละลายน้ำที่เติมกรด ขั้วแอโนดที่มีประจุบวกทำจากคาร์บอน (8mm) ขั้วแคโทดที่มีประจุลบเป็นขั้วไฟฟ้าอัลตราโซนิกไทเทเนียม (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 วัตต์, 30kHz) การแยกด้วยไฟฟ้าจะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสารละลายกรดซัลฟิวริกเจือจางเท่านั้น ดังนั้น ขั้วแอโนดคาร์บอนและขั้วแคโทดไทเทเนียมจึงเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟแรงดันคงที่ (กระแสตรง) ขั้วไฟฟ้าไทเทเนียมและขั้วไฟฟ้าคาร์บอนมีความเฉื่อยทางเคมี ชุดการทดลองนี้ไม่ได้รวบรวมก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนที่เกิดจากการแยกกรดซัลฟิวริกเจือจางด้วยไฟฟ้า วิดีโอด้านล่างแสดงการทำงานของชุดการทดลองที่เรียบง่ายมากนี้
เกิดอะไรขึ้นระหว่างการแยกด้วยไฟฟ้า?
ไอออนไฮโดรเจนถูกดึงดูดเข้าหาขั้วแคโทดที่มีประจุลบ ที่ขั้วนี้ ไอออนไฮโดรเจนหรือโมเลกุลน้ำจะถูกรีดิวซ์เป็นโมเลกุลก๊าซไฮโดรเจนโดยการรับอิเล็กตรอน ส่งผลให้โมเลกุลก๊าซไฮโดรเจนถูกปล่อยออกมาเป็นก๊าซไฮโดรเจน การแยกเกลือของโลหะที่มีความไวต่อปฏิกิริยาหลายชนิดหรือสารละลายกรดด้วยไฟฟ้าทำให้เกิดไฮโดรเจนที่ขั้วแคโทดที่มีประจุลบ
ไอออนซัลเฟตที่มีประจุลบหรือไอออนไฮดรอกไซด์ที่มีอยู่ในปริมาณเล็กน้อยถูกดึงดูดเข้าหาขั้วแอโนดที่มีประจุบวก ตัวไอออนซัลเฟตเองมีความเสถียรสูงเกินกว่าจะเกิดปฏิกิริยา จึงไม่มีอะไรเกิดขึ้น ไอออนไฮดรอกไซด์หรือโมเลกุลน้ำจะคายประจุและถูกออกซิไดซ์ที่ขั้วแอโนดเพื่อเกิดเป็นออกซิเจน ปฏิกิริยาที่ขั้วแอโนดที่มีประจุบวกนี้เป็นปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ขั้วไฟฟ้าโดยการสูญเสียอิเล็กตรอน
เหตุใดเราจึงใช้กรดซัลฟิวริกเจือจาง?
น้ำมีไอออนไฮโดรเจนและไอออนไฮดรอกไซด์ในความเข้มข้นที่ต่ำมากเท่านั้น ซึ่งจำกัดการนำไฟฟ้า ไอออนไฮโดรเจนและไอออนซัลเฟตที่มีความเข้มข้นสูงจากกรดซัลฟิวริกเจือจางช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ อีกทางเลือกหนึ่งคือใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นด่าง เช่น โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) หรือโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NAOH) และน้ำ การแยกสารละลายเกลือหลายชนิดหรือกรดซัลฟิวริกด้วยไฟฟ้าทำให้เกิดไฮโดรเจนที่ขั้วแคโทดที่มีประจุลบและออกซิเจนที่ขั้วแอโนดที่มีประจุบวก การแยกกรดไฮโดรคลอริกหรือเกลือคลอไรด์ด้วยไฟฟ้าทำให้เกิดคลอรีนที่ขั้วแอโนด
เครื่องแยกด้วยไฟฟ้าคืออะไร?
เครื่องแยกด้วยไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่แยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนด้วยกระบวนการที่เรียกว่าอิเล็กโทรลิซิส เครื่องแยกด้วยไฟฟ้าใช้ไฟฟ้าเพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน ก๊าซไฮโดรเจนสามารถจัดเก็บในรูปก๊าซอัดหรือก๊าซเหลวได้ ไฮโดรเจนเป็นตัวพาพลังงานสำหรับใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในรถยนต์ รถไฟ รถโดยสาร หรือรถบรรทุก
เครื่องแยกด้วยไฟฟ้าพื้นฐานประกอบด้วยขั้วแคโทด (ประจุลบ) และขั้วแอโนด (ประจุบวก) รวมถึงส่วนประกอบประกอบอื่น ๆ เช่น ปั๊ม ช่องระบาย ถังเก็บ แหล่งจ่ายไฟ เครื่องแยก และส่วนประกอบอื่น ๆ การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเป็นปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในเครื่องแยกด้วยไฟฟ้า ขั้วแอโนดและขั้วแคโทดได้รับไฟฟ้ากระแสตรง และน้ำ (H20) ถูกแยกออกเป็นองค์ประกอบ ได้แก่ ไฮโดรเจน (H2) และออกซิเจน (O2)
เอกสารวิชาการ / เอกสารอ้างอิง
- 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.