Виробництво соноелектротичного водню з розбавленої сірчаної кислоти
Електроліз розведеної сірчаної кислоти виробляє водневий газ і кисневий газ. Ультразвук зменшує товщину дифузійного шару на поверхні електрода і покращує передачу маси під час електролізу. Ультразвук може збільшити показники виробництва водневого газу в електролітичних клітинах, значно.
Нижче описані дві експериментальні установки з анодом вуглецю і катодом титану. Щоб продемонструвати позитивний вплив ультразвуку на електроліз, катод титану є соноелектроде. Це додає ультразвукові вібрації та кавітацію до електролітного виробництва водню та кисню від розведеної 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 електролітному процесі. Для промислових соноелектротичних установок, будь ласка, натисніть тут!
Соноелектричний катод на ультразвуковому процесорі UP100H
Налаштування соноелектролізу 1 – Неподільна клітинка H-типу
У установці використовується розбавлена сірчана кислота (H2SO4, 1.0M). Неподільна комірка типу H заповнюється електролітом. Ця комірка відома як Hofmann Voltameter. Він має три з'єднані вертикальні скляні циліндри. Внутрішній циліндр відкритий вгорі, щоб забезпечити заповнення електролітом. Відкриття клапанів у верхній частині верхніх труб дозволяє будь-якому газу вирватися при наповненні. В електролітичній клітці електроди запечатуються гумовими кільцями і занурюються догори дном в розчин підкисленої води. Позитивний анодний електрод виготовлений з вуглецю (8мм). Негативним катодом є титановий ультразвуковий соноелектроде (10 мм, спеціальна висока площа поверхні сонотрода, Hielscher UP100H, 100 Вт, 30 кГц). Титановий соноелектродія і вуглецевий електрод інертні. Електроліз буде відбуватися тільки тоді, коли електрика буде просякна через розчин сірчаної кислоти. Тому вуглецевий анод і титановий катод підключаються до постійного джерела живлення напруги (постійного струму).
Водневий газ і кисневий газ, що виробляється в електролізі розведеної сірчаної кислоти, збираються в градуйових знаних пробірках над кожним електродом. Об'єм газу витісняє електроліт у шиферних трубах, а обсяг додаткового газу можна виміряти. Теоретичне співвідношення обсягу газу - 2:1. Під час електролізу з електроліту видаляється тільки вода як водневий газ і кисневий газ. Отже, концентрація розведеної сірчаної кислоти під час електролізу злегка підвищується.
Відео нижче показує соноелектроліз розведеної сірчаної кислоти за допомогою імпульсного ультразвуку (100% амплітуда, режим циклу, 0,2 секунди, 0,8 секунди вимкнено). Обидва тести були проведені на 2,1 В (постійна напруга).
Налаштування соноелектролізу 2 – Проста партія
Скляна посудина заповнюється електролітом розбавленої сірчаної кислоти (H2SO4, 1.0M). У цю просту електролітичну клітину електроди занурюються в розчин підкисленої води. Позитивний анодний електрод виготовлений з вуглецю (8мм). Негативний катод - це титановий ультразвуковий соноелектроде (10 мм, MS10, Hielscher UP100H, 100 Вт, 30 кГц). Електроліз буде відбуватися тільки тоді, коли електрика буде просякна через розчин сірчаної кислоти. Тому вуглецевий анод і титановий катод підключаються до постійного джерела живлення напруги (постійного струму). Титановий електрод і вуглецевий електрод інертні. Водневий газ і кисневий газ, що виробляється в електролізі розбавленої сірчаної кислоти, в цій установці не збираються. Відео нижче показує це дуже просте налаштування в експлуатації.
Що відбувається під час електролізу?
Іони водню притягують до негативного катода. Там молекули іону водню або води зводяться до молекул водневого газу за допомогою електронного посилення. В результаті молекули водневого газу вивантажуються як водневий газ. Електроліз багатьох реактивних металевих солей або кислотних розчинів виробляє водень при негативному катодному електроді.
Позитивні аноди притягують негативні іони сульфату або сліди іонів гідроксиду. Сам сульфатний іон занадто стійкий, так що нічого не відбувається. Іони гідроксиду або молекули води відводиться і окислюваються на аноді для формування кисню. Ця позитивна реакція анода - це окислювальний електрод реакції при втраті електрона.
Чому ми використовуємо розбавлену сірчану кислоту?
Вода містить лише хвилинні концентрації іонів водню та іонів гідроксиду. Це обмежує електропровідність. Високі концентрації іонів водню і сульфатних іонів з розведеної сірчаної кислоти покращують електропровідність електроліту. Крім того, можна використовувати лужний розчин електроліту, такий як гідроксид калію (KOH) або гідроксид натрію (NAOH), і воду. Електроліз багатьох розчинів солей або сірчаної кислоти виробляє водень при негативному катоді і кисні при позитивному аноді. Електроліз соляної кислоти або солей хлору виробляє хлор на аноді.
Що таке електролізер?
Електролізер — це пристрій для розділення води на водень і кисень у процесі, відомому як електроліз. Електролізер використовує електроенергію для виробництва водневого газу і кисневого газу. Водневий газ може зберігатися як стиснений або скраплений газ. Водень є енергоносієм для використання в водневих паливних елементах в автомобілях, поїздах, автобусах або вантажівках.
Основний електролізер містить катод (негативний заряд) і анода (позитивний заряд) і периферійні компоненти, такі як насоси, вентиляційні отвори, резервуари для зберігання, блок живлення, сепаратор та інші компоненти. Водний електроліз - це електрохімічна реакція, яка відбувається всередині електролізера. Анод і катод живляться від постійного струму, а вода (H20) розщеплення на його компоненти водню (Н2) і кисню (O2).
Література/довідники
- 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.