Sản xuất hydro từ axit sulfuric loãng bằng điện phân có hỗ trợ siêu âm
Điện phân axit sulfuric loãng tạo ra khí hydro và khí oxy. Xử lý siêu âm làm giảm độ dày lớp khuếch tán tại bề mặt điện cực và cải thiện quá trình truyền khối trong quá trình điện phân. Xử lý siêu âm có thể làm tăng đáng kể tốc độ tạo khí hydro trong bình điện phân.
Hai hệ thí nghiệm với anốt bằng carbon và catốt bằng titan được mô tả dưới đây. Để chứng minh tác động tích cực của xử lý siêu âm đối với quá trình điện phân, catốt titan được sử dụng là một điện cực siêu âm. Điều này bổ sung dao động siêu âm và hiện tượng xâm thực vào quá trình sản xuất hydro và oxy bằng điện phân axit sulfuric loãng. Sự kết hợp giữa siêu âm và điện được ứng dụng trong điện hóa siêu âm, điện phân có hỗ trợ siêu âm và tổng hợp điện hóa có hỗ trợ siêu âm.
Máy đồng nhất siêu âm Hielscher UP100H (100 oát, 30kHz) được trang bị bộ nâng cấp điện hóa siêu âm. Bộ nâng cấp này cho phép sử dụng đầu siêu âm làm catốt hoặc anốt trong quá trình điện phân. Để tìm hiểu các hệ điện phân có hỗ trợ siêu âm quy mô công nghiệp, vui lòng nhấp vào đây!
Catốt điện siêu âm trên thiết bị xử lý siêu âm UP100H
Hệ điện phân có hỗ trợ siêu âm 1 – Bình điện phân kiểu H không có màng ngăn
Hệ này sử dụng axit sulfuric loãng (H2SO4, 1,0M). Chất điện ly được nạp vào một bình điện phân kiểu H không có màng ngăn. Bình này được gọi là bình điện phân Hofmann. Bình có ba ống trụ thủy tinh thẳng đứng nối với nhau. Ống trụ ở giữa có đầu trên để hở nhằm cho phép nạp chất điện ly. Việc mở các van ở đầu trên của hai ống ngoài cho phép khí thoát ra trong khi nạp. Trong bình điện phân, các điện cực được làm kín bằng vòng cao su và nhúng ngược vào dung dịch nước đã axit hóa. Điện cực anốt dương được làm bằng carbon (8mm). Catốt âm là điện cực siêu âm bằng titan (10mm, đầu siêu âm đặc biệt có diện tích bề mặt lớn, Hielscher UP100H, 100 oát, 30kHz). Điện cực siêu âm titan và điện cực carbon đều trơ. Quá trình điện phân chỉ diễn ra khi có dòng điện đi qua dung dịch axit sulfuric loãng. Vì vậy, anốt carbon và catốt titan được nối với nguồn điện có điện áp không đổi (dòng điện một chiều).
Khí hydro và khí oxy sinh ra trong quá trình điện phân axit sulfuric loãng được thu vào các ống ngoài có chia vạch phía trên mỗi điện cực. Thể tích khí đẩy chất điện ly ra khỏi các ống ngoài, nhờ đó có thể đo thể tích khí sinh thêm. Tỷ lệ thể tích khí theo lý thuyết là 2:1. Trong quá trình điện phân, chỉ có nước bị tách khỏi chất điện ly dưới dạng khí hydro và khí oxy. Do đó, nồng độ axit sulfuric loãng tăng nhẹ trong quá trình điện phân.
Video dưới đây minh họa quá trình điện phân axit sulfuric loãng có hỗ trợ siêu âm bằng cách xử lý siêu âm dạng xung (biên độ 100%, chế độ chu kỳ, bật 0,2 giây, tắt 0,8 giây). Cả hai thử nghiệm đều được thực hiện ở 2,1V (DC, điện áp không đổi).
Hệ điện phân có hỗ trợ siêu âm 2 – Hệ theo mẻ đơn giản
Một bình thủy tinh được nạp chất điện ly là axit sulfuric loãng (H2SO4, 1,0M). Trong bình điện phân đơn giản này, các điện cực được nhúng vào dung dịch nước đã axit hóa. Điện cực anốt dương được làm bằng carbon (8mm). Catốt âm là điện cực siêu âm bằng titan (10mm, MS10, Hielscher UP100H, 100 oát, 30kHz). Quá trình điện phân chỉ diễn ra khi có dòng điện đi qua dung dịch axit sulfuric loãng. Vì vậy, anốt carbon và catốt titan được nối với nguồn điện có điện áp không đổi (dòng điện một chiều). Điện cực titan và điện cực carbon đều trơ. Khí hydro và khí oxy sinh ra trong quá trình điện phân axit sulfuric loãng không được thu lại trong hệ này. Video dưới đây cho thấy hệ rất đơn giản này đang hoạt động.
Điều gì xảy ra trong quá trình điện phân?
Các ion hydro bị hút về catốt âm. Tại đó, ion hydro hoặc các phân tử nước nhận electron và bị khử thành các phân tử khí hydro. Kết quả là các phân tử khí hydro được giải phóng dưới dạng khí hydro. Quá trình điện phân nhiều muối của kim loại hoạt động hóa học hoặc các dung dịch axit tạo ra hydro tại điện cực catốt âm.
Các ion sulfat mang điện tích âm hoặc lượng vết ion hydroxit bị hút về anốt dương. Bản thân ion sulfat quá bền nên không xảy ra phản ứng. Các ion hydroxit hoặc phân tử nước phóng điện và bị oxy hóa tại anốt để tạo thành oxy. Phản ứng tại anốt dương này là phản ứng oxy hóa ở điện cực thông qua sự mất electron.
Tại sao chúng ta sử dụng axit sulfuric loãng?
Nước chỉ chứa các ion hydro và ion hydroxit ở nồng độ rất nhỏ. Điều này hạn chế độ dẫn điện. Nồng độ cao của các ion hydro và ion sulfat từ axit sulfuric loãng giúp cải thiện độ dẫn điện của chất điện ly. Ngoài ra, bạn có thể sử dụng dung dịch điện ly kiềm, chẳng hạn như kali hydroxit (KOH) hoặc natri hydroxit (NAOH), và nước. Quá trình điện phân nhiều dung dịch muối hoặc axit sulfuric tạo ra hydro tại catốt âm và oxy tại anốt dương. Quá trình điện phân axit clohydric hoặc các muối clorua tạo ra clo tại anốt.
Thiết bị điện phân là gì?
Thiết bị điện phân là thiết bị tách nước thành hydro và oxy thông qua một quá trình được gọi là điện phân. Thiết bị điện phân sử dụng điện để tạo ra khí hydro và khí oxy. Khí hydro có thể được lưu trữ dưới dạng khí nén hoặc khí hóa lỏng. Hydro là chất mang năng lượng để sử dụng trong pin nhiên liệu hydro trên ô tô, tàu hỏa, xe buýt hoặc xe tải.
Một thiết bị điện phân cơ bản gồm catốt (điện tích âm), anốt (điện tích dương) và các bộ phận phụ trợ như bơm, lỗ thoát khí, bồn chứa, nguồn điện, bộ phân tách và các bộ phận khác. Điện phân nước là phản ứng điện hóa xảy ra bên trong thiết bị điện phân. Anốt và catốt được cấp dòng điện một chiều, và nước (H20) được phân tách thành các thành phần là hydro (H2) và oxy (O2).
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- 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.