การผลิตไฮโดรเจน Sonoelectrolytic จากกรดซัลฟิวริกเจือจาง
อิเล็กโทรไลซิสของกรดซัลฟิวริกเจือจางจะผลิตก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน อัลตราโซนิกช่วยลดความหนาของชั้นการแพร่กระจายที่พื้นผิวอิเล็กโทรดและปรับปรุงการถ่ายเทมวลระหว่างอิเล็กโทรไลซิส อัลตราโซนิกสามารถเพิ่มอัตราการผลิตก๊าซไฮโดรเจนในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ได้อย่างมาก
การตั้งค่าการทดลองสองแบบด้วยขั้วบวกคาร์บอนและแคโทดไททาเนียมอธิบายไว้ด้านล่าง เพื่อแสดงให้เห็นถึงผลดีของอัลตราโซนิกต่ออิเล็กโทรไลซิสแคโทดไททาเนียมเป็นโซโนอิเล็กโทรด สิ่งนี้จะเพิ่มการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกและโพรงอากาศในการผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจนด้วยไฟฟ้าจากกรดซัลฟิวริกเจือจาง การรวมกันของอัลตราโซนิกกับไฟฟ้าใช้ใน sonoelectrochemistry, sonoelectrolysis และ sonoelectrosynthesis
โฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิก Hielscher UP100H (100 วัตต์, 30kHz) มาพร้อมกับการอัพเกรดโซโนไฟฟ้าเคมี สิ่งนี้ช่วยให้สามารถใช้ sonotrode เป็นแคโทดหรือขั้วบวกในกระบวนการอิเล็กโทรไลต์ สําหรับการตั้งค่า sonoelectrolytic อุตสาหกรรม โปรดคลิกที่นี่!
Sonoelectric Cathode บนโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก UP100H
การตั้งค่า Sonoelectrolysis 1 – เซลล์ชนิด H ไม่แบ่ง
การตั้งค่าใช้กรดซัลฟิวริกเจือจาง (H2SO4, 1.0M) เซลล์ที่ไม่แบ่งชนิด H เต็มไปด้วยอิเล็กโทรไลต์ เซลล์นี้เรียกว่า Hofmann Voltameter มีกระบอกสูบแก้วตั้งตรงสามอันที่เชื่อมต่อกัน กระบอกสูบด้านในเปิดที่ด้านบนเพื่อให้สามารถเติมอิเล็กโทรไลต์ได้ การเปิดวาล์วที่ด้านบนของท่อด้านนอกช่วยให้ก๊าซไหลออกระหว่างการเติม ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์อิเล็กโทรดจะถูกปิดผนึกด้วยวงแหวนยางและแช่กลับหัวลงในสารละลายน้ําที่เป็นกรด อิเล็กโทรดขั้วบวกทําจากคาร์บอน (8 มม.) แคโทดลบคือโซโนอิเล็กโทรดอัลตราโซนิกไทเทเนียม (10 มม., โซโนโทรดพื้นที่ผิวสูงพิเศษ, Hielscher UP100H, 100 วัตต์, 30kHz) โซโนอิเล็กโทรดไทเทเนียมและอิเล็กโทรดคาร์บอนเฉื่อย อิเล็กโทรไลซิสจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสารละลายกรดซัลฟิวริกเจือจาง ดังนั้นขั้วบวกคาร์บอนและแคโทดไททาเนียมจึงเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟแรงดันคงที่ (กระแสตรง)
ก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนที่ผลิตในอิเล็กโทรไลซิสของกรดซัลฟิวริกเจือจางจะถูกรวบรวมในท่อด้านนอกที่สําเร็จการศึกษาเหนืออิเล็กโทรดแต่ละขั้ว ปริมาตรก๊าซจะแทนที่อิเล็กโทรไลต์ในท่อด้านนอก และสามารถวัดปริมาตรของก๊าซเพิ่มเติมได้ อัตราส่วนทางทฤษฎีของปริมาตรก๊าซคือ 2:1 ในระหว่างอิเล็กโทรไลซิสจะมีเพียงน้ําเท่านั้นที่จะถูกกําจัดออกจากอิเล็กโทรไลต์เป็นก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน ดังนั้นความเข้มข้นของกรดซัลฟิวริกเจือจางจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยในระหว่างอิเล็กโทรไลซิส
วิดีโอด้านล่างแสดงการ sonoelectrolysis ของกรดซัลฟิวริกเจือจางโดยใช้อัลตราโซนิกแบบพัลซิ่ง (แอมพลิจูด 100%, โหมดรอบ, เปิด 0.2 วินาที, ปิด 0.8 วินาที) การทดสอบทั้งสองทํางานที่ 2.1V (DC, แรงดันคงที่)
การตั้งค่า Sonoelectrolysis 2 – แบทช์ง่าย
ภาชนะแก้วเต็มไปด้วยอิเล็กโทรไลต์ของกรดซัลฟิวริกเจือจาง (H2SO4, 1.0M) ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์อย่างง่ายนี้อิเล็กโทรดจะถูกแช่ลงในสารละลายของน้ําที่เป็นกรด อิเล็กโทรดขั้วบวกทําจากคาร์บอน (8 มม.) แคโทดลบคือโซโนอิเล็กโทรดอัลตราโซนิกไทเทเนียม (10 มม., MS10, Hielscher UP100H, 100 วัตต์, 30kHz) อิเล็กโทรไลซิสจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสารละลายกรดซัลฟิวริกเจือจาง ดังนั้นขั้วบวกคาร์บอนและแคโทดไททาเนียมจึงเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟแรงดันคงที่ (กระแสตรง) อิเล็กโทรดไทเทเนียมและอิเล็กโทรดคาร์บอนเป็นแบบเฉื่อย ก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนที่ผลิตในอิเล็กโทรไลซิสของกรดซัลฟิวริกเจือจางจะไม่ถูกรวบรวมในการตั้งค่านี้ วิดีโอด้านล่างแสดงการตั้งค่าที่ง่ายมากในการใช้งาน
จะเกิดอะไรขึ้นระหว่างอิเล็กโทรไลซิส?
ไฮโดรเจนไอออนถูกดึงดูดไปยังแคโทดลบ ไฮโดรเจนไอออนหรือโมเลกุลของน้ําจะถูกลดทอนเป็นโมเลกุลของก๊าซไฮโดรเจนโดยอิเล็กตรอน ส่งผลให้โมเลกุลของก๊าซไฮโดรเจนถูกปล่อยออกมาเป็นก๊าซไฮโดรเจน อิเล็กโทรไลซิสของเกลือโลหะที่ทําปฏิกิริยาหรือสารละลายกรดจํานวนมากจะผลิตไฮโดรเจนที่ขั้วลบแคโทด
ไอออนซัลเฟตลบหรือร่องรอยของไอออนไฮดรอกไซด์จะถูกดึงดูดไปยังขั้วบวก ซัลเฟตไอออนมีความเสถียรเกินไปเพื่อไม่ให้เกิดอะไรขึ้น ไอออนไฮดรอกไซด์หรือโมเลกุลของน้ําจะถูกปล่อยออกมาและออกซิไดซ์ที่ขั้วบวกเพื่อสร้างออกซิเจน ปฏิกิริยาแอโนดบวกนี้เป็นปฏิกิริยาอิเล็กโทรดออกซิเดชันโดยการสูญเสียอิเล็กตรอน
ทําไมเราถึงใช้กรดซัลฟิวริกเจือจาง?
น้ํามีไฮโดรเจนไอออนและไฮดรอกไซด์ไอออนที่มีความเข้มข้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น สิ่งนี้จํากัดการนําไฟฟ้า ไฮโดรเจนไอออนและซัลเฟตไอออนที่มีความเข้มข้นสูงจากกรดซัลฟิวริกเจือจางช่วยเพิ่มการนําไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ หรือคุณสามารถใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์ เช่น โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) หรือโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NAOH) และน้ํา อิเล็กโทรไลซิสของสารละลายเกลือหรือกรดซัลฟิวริกหลายชนิดจะผลิตไฮโดรเจนที่แคโทดลบและออกซิเจนที่ขั้วบวก อิเล็กโทรไลซิสของกรดไฮโดรคลอริกหรือเกลือคลอไรด์จะผลิตคลอรีนที่ขั้วบวก
อิเล็กโทรไลเซอร์คืออะไร?
อิเล็กโทรไลเซอร์เป็นอุปกรณ์ในการแยกน้ําออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนในกระบวนการที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลซิส อิเล็กโทรไลเซอร์ใช้ไฟฟ้าในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน ก๊าซไฮโดรเจนสามารถเก็บไว้เป็นก๊าซอัดหรือก๊าซเหลวได้ ไฮโดรเจนเป็นตัวพาพลังงานสําหรับใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในรถยนต์ รถไฟ รถบัส หรือรถบรรทุก
อิเล็กโทรไลเซอร์พื้นฐานประกอบด้วยแคโทด (ประจุลบ) และขั้วบวก (ประจุบวก) และส่วนประกอบต่อพ่วง เช่น ปั๊ม ช่องระบายอากาศ ถังเก็บ แหล่งจ่ายไฟ ตัวแยก และส่วนประกอบอื่นๆ อิเล็กโทรไลซิสของน้ําเป็นปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่เกิดขึ้นภายในอิเล็กโทรไลเซอร์ แอโนดและแคโทดขับเคลื่อนด้วยกระแสตรง และน้ํา (H20) ถูกแบ่งออกเป็นส่วนประกอบไฮโดรเจน (H2) และออกซิเจน (O2)
วรรณกรรม / อ้างอิง
- 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.