Виробництво соноелектролітичного водню з розбавленої сірчаної кислоти
При електролізі розбавленої сірчаної кислоти утворюється газоподібний водень і газоподібний кисень. Ультразвук зменшує товщину дифузійного шару на поверхні електрода і покращує масообмін при електролізі. Ультразвук може значно збільшити швидкість утворення газоподібного водню в електролітичній елементі.
Нижче описані дві експериментальні установки з вугільним анодом і титановим катодом. Для демонстрації позитивного впливу ультразвуку на електроліз титановий катод є соноелектродом. Це додає ультразвукові коливання та кавітацію до електролітичного виробництва водню та кисню з розбавленої сірчаної кислоти. Поєднання ультразвуку з електрикою використовується в соноелектрохімії, соноелектролізі та соноелектросинтезі.
Ультразвуковий гомогенізатор Hielscher UP100H (100 Вт, 30 кГц) оснащений соноелектрохімічним оновленням. Це дозволяє використовувати сонотрод в якості катода або анода в електролітичному процесі. Для промислових соноелектролітичних установок, будь ласка, натисніть тут!
Установка соноелектролізу 1 – Нерозділена клітина Н-типу
В установці використовується розбавлена сірчана кислота (H2SO4, 1,0M). Нерозділена клітина Н-типу заповнена електролітом. Цей елемент відомий як вольтаметр Гофмана. Він має три з'єднані вертикальні скляні циліндри. Внутрішній циліндр відкритий у верхній частині, що дозволяє наповнити його електролітом. Відкриття клапанів у верхній частині зовнішніх трубок дозволяє будь-якому газу виходити під час наповнення. В електролітичній камері електроди ущільнюються гумовими кільцями і занурюються догори дном в розчин підкисленої води. Позитивний анодний електрод виготовлений з вуглецю (8 мм). Негативним катодом є титановий ультразвуковий соноелектрод (10 мм, спеціальний сонотрод з великою площею поверхні, Hielscher UP100H, 100 Вт, 30 кГц). Титановий соноелектрод і вугільний електрод інертні. Електроліз буде відбуватися тільки при пропущенні електрики через розбавлений розчин сірчаної кислоти. Тому вугільний анод і титановий катод підключаються до джерела живлення постійної напруги (постійного струму).
Газоподібний водень і газоподібний кисень, що утворюються при електролізі розбавленої сірчаної кислоти, збираються в градуйованих зовнішніх трубках над кожним електродом. Об'єм газу витісняє електроліт у зовнішніх трубках, і можна виміряти об'єм додаткового газу. Теоретичне співвідношення об'єму газу становить 2:1. Під час електролізу з електроліту видаляється тільки вода у вигляді газоподібного водню і газоподібного кисню. Отже, концентрація розбавленої сірчаної кислоти під час електролізу дещо підвищується.
На відео нижче показаний соноелектроліз розбавленої сірчаної кислоти за допомогою імпульсного ультразвуку (амплітуда 100%, режим циклу, 0,2 секунди включено, 0,8 секунди вимкнено). Обидва тести проводилися при напрузі 2,1 В (постійний струм, постійна напруга).
Установка соноелектролізу 2 – Проста партія
Скляна посудина заповнюється електролітом розведеної сірчаної кислоти (H2SO4, 1,0М). У цьому простому електролітичному елементі електроди занурені в розчин підкисленої води. Позитивний анодний електрод виготовлений з вуглецю (8 мм). Негативним катодом є титановий ультразвуковий соноелектрод (10 мм, MS10, Hielscher UP100H, 100 Вт, 30 кГц). Електроліз буде відбуватися тільки при пропущенні електрики через розбавлений розчин сірчаної кислоти. Тому вугільний анод і титановий катод підключаються до джерела живлення постійної напруги (постійного струму). Титановий електрод і вугільний електрод інертні. Газоподібний водень і газоподібний кисень, що утворюються під час електролізу розбавленої сірчаної кислоти, не збираються в цій установці. На відео нижче показана ця дуже проста в експлуатації настройка.
Що відбувається під час електроепіляції?
Іони водню притягуються до негативного катода. Там іони водню або молекули води відновлюються до молекул газоподібного водню шляхом посилення електрона. В результаті молекули газоподібного водню розряджаються у вигляді газоподібного водню. В результаті електролізу багатьох активних солей металів або розчинів кислот на негативному катодному електроді утворюється водень.
Негативні сульфат-іони або сліди гідроксид-іонів притягуються до позитивного анода. Сам по собі сульфат-іон занадто стабільний, так що нічого не відбувається. Гідроксид-іони або молекули води розряджаються і окислюються на аноді з утворенням кисню. Ця позитивна анодна реакція є реакцією окислювального електрода шляхом втрати електронів.
Чому ми використовуємо розбавлену сірчану кислоту?
Вода містить лише незначні концентрації іонів водню та гідроксид-іонів. Це обмежує електропровідність. Високі концентрації іонів водню і сульфат-іонів з розбавленої сірчаної кислоти покращують електропровідність електроліту. Крім того, ви можете використовувати розчин лужного електроліту, такий як гідроксид калію (KOH) або гідроксид натрію (NAOH), і воду. В результаті електролізу багатьох розчинів солей або сірчаної кислоти на негативному катоді утворюється водень, а на позитивному аноді - кисень. В результаті електролізу соляної кислоти або хлоридних солей на аноді утворюється хлор.
Що таке електролізер?
Електролізер — це пристрій для розділення води на водень і кисень у процесі, відомому як електроліз. Електролізер використовує електроенергію для виробництва газоподібного водню та газоподібного кисню. Газоподібний водень можна зберігати у вигляді стисненого або зрідженого газу. Водень є енергоносієм для використання у водневих паливних елементах в автомобілях, поїздах, автобусах або вантажівках.
Основний електролізер містить катод (негативний заряд) і анод (позитивний заряд), а також периферійні компоненти, такі як насоси, вентиляційні отвори, резервуари для зберігання, блок живлення, сепаратор та інші компоненти. Електроліз води – це електрохімічна реакція, яка відбувається всередині електролізера. Анод і катод живляться постійним струмом, а вода (Н20) розщеплюється на складові водень (Н2) і кисень (О2).
Література / Список літератури
- 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.