Соноелектролітичне виробництво водню з розведеної сірчаної кислоти
Електроліз розведеної сірчаної кислоти виробляє водневий газ і кисневий газ. Ультразвукова обробка зменшує товщину дифузійного шару на поверхні електрода та покращує масоперенесення під час електролізу. Ультразвукова обробка може значно збільшити швидкість виробництва водневого газу в електролітичній комірці.
Нижче описані дві експериментальні установки з вуглецевим анодом і титановим катодом. Щоб продемонструвати позитивні ефекти ультразвукової обробки на електроліз, титановий катод є сонелектродом. Це додає ультразвукові коливання та кавітацію до електролітичного виробництва водню та кисню з розведеної сірчаної кислоти. Поєднання ультразвуку з електрикою використовується в сонелектрохімії, сонелектролізі та сонелектросинтезі.
Ультразвуковий гомогенізатор Hielscher UP100H (100 ват, 30kHz) оснащений апгрейдом для сонелектрохімії. Це дозволяє використовувати сонотрод як катод або анод в електролітичному процесі. Для промислових сонелектролітичних установок, будь ласка, натисніть тут!
Сонелектричний катод на ультразвуковому процесорі UP100H
Установка сонелектролізу 1 – H-подібна неподільна комірка
Установка використовує розведену сірчану кислоту (H2SO4, 1,0M). H-подібна неподільна комірка заповнена електролітом. Ця комірка відома як вольтаметр Гофмана. Вона має три з’єднані вертикальні скляні циліндри. Внутрішній циліндр відкритий зверху для заповнення електролітом. Відкривання клапанів зверху зовнішніх трубок дозволяє будь-якому газу виходити під час заповнення. В електролітичній комірці електроди герметизовані гумовими кільцями та занурені догори дригом у розчин підкисленої води. Позитивний анодний електрод виготовлений з вуглецю (8mm). Негативний катод – це титановий ультразвуковий сонелектрод (10mm, спеціальний сонотрод з високою площею поверхні, Hielscher UP100H, 100 ват, 30kHz). Титановий сонелектрод і вуглецевий електрод є інертними. Електроліз відбуватиметься лише тоді, коли через розчин розведеної сірчаної кислоти пропускається електричний струм. Тому вуглецевий анод і титановий катод підключені до джерела живлення з постійною напругою (постійний струм).
Водневий газ і кисневий газ, що виробляються під час електролізу розведеної сірчаної кислоти, збираються в градуйованих зовнішніх трубках над кожним електродом. Об’єм газу витісняє електроліт у зовнішніх трубках, і об’єм додаткового газу можна виміряти. Теоретичне співвідношення об’єму газу становить 2:1. Під час електролізу з електроліту видаляється лише вода у вигляді водневого газу та кисневого газу. Отже, концентрація розведеної сірчаної кислоти трохи зростає під час електролізу.
Відео нижче показує сонелектроліз розведеної сірчаної кислоти з використанням імпульсної ультразвукової обробки (100% амплітуда, циклічний режим, 0,2 секунди увімкнено, 0,8 секунди вимкнено). Обидва тести проводилися при 2,1V (DC, постійна напруга).
Установка сонелектролізу 2 – Проста партія
Скляна посудина заповнена електролітом з розведеної сірчаної кислоти (H2SO4, 1,0M). У цій простій електролітичній комірці електроди занурені в розчин підкисленої води. Позитивний анодний електрод виготовлений з вуглецю (8mm). Негативний катод – це титановий ультразвуковий сонелектрод (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 ват, 30kHz). Електроліз відбуватиметься лише тоді, коли через розчин розведеної сірчаної кислоти пропускається електричний струм. Тому вуглецевий анод і титановий катод підключені до джерела живлення з постійною напругою (постійний струм). Титановий електрод і вуглецевий електрод є інертними. Водневий газ і кисневий газ, що виробляються під час електролізу розведеної сірчаної кислоти, у цій установці не збираються. Відео нижче показує цю дуже просту установку в роботі.
Що відбувається під час електролізу?
Іони водню притягуються до негативного катода. Там іон водню або молекули води відновлюються до молекул водневого газу шляхом приєднання електрона. В результаті молекули водневого газу розряджаються як водневий газ. Електроліз багатьох реакційноздатних солей металів або розчинів кислот виробляє водень на негативному катодному електроді.
Негативні іони сульфату або сліди іонів гідроксиду притягуються до позитивного анода. Сам іон сульфату є занадто стабільним, тому нічого не відбувається. Іони гідроксиду або молекули води розряджаються та окиснюються на аноді, утворюючи кисень. Ця позитивна анодна реакція є окисною електродною реакцією шляхом втрати електрона.
Чому ми використовуємо розведену сірчану кислоту?
Вода містить лише мізерні концентрації іонів водню та іонів гідроксиду. Це обмежує електропровідність. Високі концентрації іонів водню та іонів сульфату з розведеної сірчаної кислоти покращують електропровідність електроліту. Альтернативно, ви можете використовувати лужний розчин електроліту, такий як гідроксид калію (KOH) або гідроксид натрію (NAOH), і воду. Електроліз багатьох розчинів солей або сірчаної кислоти виробляє водень на негативному катоді та кисень на позитивному аноді. Електроліз хлоридної кислоти або хлоридних солей виробляє хлор на аноді.
Що таке електролізер?
Електролізер – це пристрій для розділення води на водень і кисень у процесі, відомому як електроліз. Електролізер використовує електрику для виробництва водневого газу та кисневого газу. Водневий газ можна зберігати як стиснутий або зріджений газ. Водень є енергоносієм для використання в водневих паливних елементах в автомобілях, поїздах, автобусах або вантажівках.
Базовий електролізер містить катод (негативний заряд) і анод (позитивний заряд) та периферійні компоненти, такі як насоси, вентиляційні отвори, резервуари для зберігання, джерело живлення, сепаратор та інші компоненти. Електроліз води – це електрохімічна реакція, яка відбувається всередині електролізера. Анод і катод живляться постійним струмом, а вода (H20) розщеплюється на свої компоненти: водень (H2) і кисень (O2).
Література / Посилання
- 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.