Effect of the indirect sonication on the plasma formation and energy parameters in the cathodic regime of the plasma-driven solution electrolysis

• Autorzy: Bespalko Sergii , Siedlecki Marcin , Markiewicz Justyna , Mizeraczyk Jerzy

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2024.10.59

Warianty tytułu

PL

Wpływ pośredniej sonikacji na powstawanie plazmy i charakterystykę energetyczną w reżimie katodowym plazmowej elektrolizy roztworu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the experimental study's results on indirect sonication's effect on plasma formation and energy parameters in the cathodic regime of plasma-driven solution electrolysis (PDSE). In the study, two types of experiments were carried out. The first was to observe the effect of the indirect sonication on the transformation of the DC electrolysis of 10 wt% Na2CO3 aqueous solution from its Faradaic regime to the cathodic regime of PDSE with increasing the applied DC voltage. Sonication was found to decrease the average power needed to attain the plasma formation at the discharge electrode by ca. 10% compared to PDSE without sonication. The second experiment concerned the statistical determination of the energy parameters (current density and power consumption) in the cathodic regime of PDSE with varying the applied DC voltage. It was revealed that sonication reduces the applied DC voltage by 14 V to achieve the minimum current density at which sonication exhibits a synergetic effect on PDSE, reducing the power consumption by 21.5% compared to PDSE without sonication.

PL

W artykule opisano wyniki badań wpływu sonikacji pośredniej na powstawanie plazmy oraz na parametry energetyczne plazmowej elektrolizy roztworu (PDSE) podczas pracy w reżimie katodowym. W ramach badań przeprowadzono dwa rodzaje eksperymentów. Pierwszy polegał na obserwacji wpływu sonikacji pośredniej na przebieg elektrolizy roztworu wodnego 10% (w/w) Na2CO3 i przejścia z reżimu faradycznego na reżim katodowy PDSE podczas zwiększania wartości napięcia stałego. Stwierdzono, że sonikacja obniża o ok. 10 % średnią moc potrzebną do wytworzenia plazmy na elektrodzie roboczej w porównaniu do elektrolizy prądem stałym bez sonikacji. Drugi eksperyment dotyczył statystycznego określenia parametrów energetycznych (gęstość prądu i zużycie energii) w reżimie katodowym PDSE przy różnych wartościach napięcia stałego. Wykazano, że dzięki sonikacji wartość napięcia potrzebna do osiągnięcia minimalnej gęstości prądu, przy której zachodzi efekt synergiczny z PDSE była niższa o 14 V, jednocześnie powodując obniżenie zużycia energii o 21,5% w porównaniu do PDSE bez sonikacji.

Słowa kluczowe

EN

electrolysis; plasma-driven solution electrolysis; electric discharges in liquid; hydrogen; current-voltage characteristic; ultrasound; sonication; acoustic cavitation; acoustic waves; synergetic effect; synergy

PL

elektroliza; plazmowa elektroliza roztworu; wyładowanie elektryczne w cieczy; wodór; charakterystyka prądowo-napięciowa; ultradźwięk; sonikacja; kawitacja akustyczna; fale akustyczne; efekt synergiczny; synergia

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 100, nr 10
• Strony: 277--280
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys.

Twórcy

autor

Bespalko Sergii

• Research and Innovation Centre Pro-Akademia, Innowacyjna Street 9/11, 95-050 Konstantynów Łódzki

• https://orcid.org/0000-0002-7542-5498

autor

Siedlecki Marcin

• Research and Innovation Centre Pro-Akademia, Innowacyjna Street 9/11, 95-050 Konstantynów Łódzki

• https://orcid.org/0000-0001-6247-9342

autor

Markiewicz Justyna

• Research and Innovation Centre Pro-Akademia, Innowacyjna Street 9/11, 95-050 Konstantynów Łódzki

• https://orcid.org/0000-0003-1361-6376

autor

Mizeraczyk Jerzy

• Gdynia Maritime University, Department of Marine Electronics, Morska Street 81/87, 81-225 Gdynia

• https://orcid.org/0000-0002-5173-3592

Bibliografia

• [1] Islam M.H., Lamb J.J., Burheim O.S., Pollet B.G. (2020). Ultrasound-Assisted Electrolytic Hydrogen Production. In: Lamb J., Pollet B. (eds.) Micro-Optics and Energy, Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-43676-6_7
• [2] Pollet B.G., Lorimer J.P., Phull S.S., Mason T.J., Walton D.J., Hihn J., Ligier V., Wery M.D. (1999). The effect of ultrasonic frequency and intensity upon electrode kinetic parameters for the Ag(S2O3)23−/Ag redox couple. Journal of Applied Electrochemistry, 29, 1359-1366. https://doi.org/10.1023/A%3A1003684101855
• [3] Merabet N., Kerboua K. (2022). Sonolytic and ultrasoundassisted techniques for hydrogen production: A review based on the role of ultrasound. International Journal of Hydrogen Energy. 47, 41, 17879-17893. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.04.108
• [4] Gupta S.K.S., Singh R. (2016). Cathodic contact glow discharge electrolysis: Its origin and non-faradaic chemical effects. Plasma Sources Sci. Technol. 26, 015005. https://doi.org/10.1088/0963-0252/26/1/015005
• [5] Bespalko S., Mizeraczyk, J. (2022). Overview of the Hydrogen Production by Plasma-Driven Solution Electrolysis. Energies. 15, 7508. https://doi.org/10.3390/en15207508
• [6] Van Thanh D., Oanh P.P., Huong D.T., Le P.H. (2017). Ultrasonic-assisted cathodic electrochemical discharge for graphene synthesis. Ultrasonics sonochemistry. 34, 978-983. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2016.07.025
• [7] Shen D., He D., Liu F., Guo C.H., Cai J., Li G., Ma H. (2014). Effects of ultrasound on the evolution of plasma electrolytic oxidation process on 6061Al alloy. Ultrasonics. 54, 4, 1065- 1070. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2013.12.011
• [8] Chen Y.G., Yi J., Wang Z.M., Zhou W., Deng H. (2022). Experimental study on ultrasonic-assisted electrolyte plasma polishing of SUS304 stainless steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 124, 2835-2846. https://doi.org/10.1007/s00170-022-10646-w
• [9] Sengupta S.K., Srivastava A.K., Singh R. (1997). Contact glow discharge electrolysis: A study on its origin in the light of the theory of hydrodynamic instabilities in local solvent vaporization by Joule heating during electrolysis. J. Electroanal. Chem. 427, 23–27. https://doi.org/10.1016/S0022-0728%2896%2905044-9
• [10] Bespalko S., Mizeraczyk, J. (2022). The plasma discharges in the anodic and cathodic regimes of plasma driven solution electrolysis for hydrogen production. Przeglad Elektrotechniczny. 98, 9, 122-125. https://doi.org/10.15199/48.2022.09.26
• [11] Bespalko S., Mizeraczyk J. (2023). Influence of the ballast resistor on the current-voltage characteristics in the cathodic subregimes of the plasma-driven solution electrolysis. Przeglad Elektrotechniczny. 99, 9, 267-270. https://doi.org/10.15199/48.2023.09.54
• [12] Bespalko S., Mizeraczyk J. (2023). Hydrogen Production in the Cathodic Regime of Plasma-Driven Solution Electrolysis. Proceedings of the Low-Temperature Fuel Cells, Electrolyzers and H2 Processing Forum (EFCF 2023), A0913, pp. 399-408, 4-7 July 2023, Lucerne, Switzerland.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).