以空氣為原料的電化學提取氧研究

仲鵬昊

摘 要：通過以一種空氣作為原料，研究了電化學氧提取方法。電化學氧提取分離系統(tǒng)以泡花鎳作為陽極，陰極則為碳-聚四氟乙烯空氣電極，電解液選擇KOH溶液。再使用常規(guī)的滴定分析方式對電解液當中各種離子濃度進行測定，將電解氣的氧氣純度用氣相色譜進行測定。

關(guān)鍵詞：空氣 原料 電化學 提取氧

一、我國當前的制氧狀況

在工業(yè)上基本會選擇空氣深冷分離和變壓吸附分離的方式，但是這樣大規(guī)模的方法無法適用于醫(yī)院或者家庭。傳統(tǒng)的方式是把氧氣存儲在氣袋或者鋼瓶當中，但是如果里面的氧氣用完了，則需要立即進行更換，這樣的方式對于患者使用是十分不方便的。

在家中進行定期吸氧是最方便的地點，那么選擇最適合的方法是至關(guān)重要的?？梢赃x擇較為方便的電化學制氧法，其中水電解制氧也是最簡單的制氧方式。但是需要較多的電能的情況，讓人們研究出了新型的電化學制氧方式。[1]

二、水電解制氧研究實驗準備

1.配置和標定KOH和NaOH溶液

該試驗選擇了KOH溶液作為電解液，并且選擇NaOH溶液進行比較實驗。稱取定量的KOH溶液和NaOH的固體，分開放入容量為1000ml的瓶子里，再加入適量的蒸餾水將KOH和NaOH固體完全溶解后，再加入蒸餾水到達指定的刻度線。將其放置1d后，選擇指示劑為酚酞，用HCI溶液進行標定，分別將其分為不同濃度的堿液。[2]

2.測定KOH溶液的電導(dǎo)率

使用DDS-11型電導(dǎo)儀對不同溫度下不同濃度KOH溶液的電導(dǎo)率進行測量，通過多次實驗得出最大電導(dǎo)率時KOH溶液的濃度。

3.氣相色譜的標定

在研究的實驗中，選擇102G型氣相色譜儀對電解時產(chǎn)生的氧氣純度進行測定，判斷其中是否會有過的氫氣產(chǎn)生。測量前應(yīng)該選擇純氧和其對色譜柱進行相應(yīng)的標注。

三、水電解制氧實驗的研究

1.實驗裝置

電化學制氧實驗裝置由三個部分組合而成：第一個部分為直流穩(wěn)壓的電源，擁有電壓和電流的顯示儀，可以使用相應(yīng)的測量儀對其進行相關(guān)的標記。第二個部分則為電解槽，分別由四個串聯(lián)的單元電解池組成。選擇不同濃度的KOH溶液為電解液，泡花鎳作為陽極，陰極則為碳-聚四氟乙烯空氣電極。第三個部分則為集氣槽，該實驗選擇使用排水法對氧氣進行收集，讓氧氣溫度和壓力與周圍環(huán)境溫度和壓力相一致，讓氧氣量可以得到更好的測量和計算。

2.實驗過程

把不同濃度800ml的KOH溶液放置入電解槽之中，將電化學制氧實驗裝置連接起來，開啟電源，將穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)好。當電流達到標準的數(shù)值時，放掉部分的氣體，這部分排出的氣體是電解槽內(nèi)的氣體而不是氧氣。當裝置開啟2分支之后開始收集氧氣，這個過程之中需要讓電解電流保持不變。

四、水電解制氧實驗研究獲得相關(guān)數(shù)據(jù)、研究以及處理分析

1.電量（Q）和出氧量（s）的關(guān)系

如果空氣內(nèi)的氧氣在陰極中得到電子，將會以離子的形式進入電解液，從而在電場作用下抵達陽極，同時放出電子，使氧離子還原為單質(zhì)氧。即當產(chǎn)生1mol的氧氣時需要的電子物質(zhì)的量（s），為Q=nsF。

2.單位質(zhì)量氧氣耗能（W）和電流（A）的關(guān)系

每電解出1kg氧氣時，大概需要1.56到1.86kW·h之間，并且將會隨著電流的加大而加大，隨著KOH溶液濃度的減少而增加。雖然將電流增大時，能夠提高電解槽的制氧能力，但是也會因此導(dǎo)致制氧所需的耗能不斷增加。KOH濃度的增加，將增加溶液的電導(dǎo)率，使電阻下降，從而制氧所需的能耗也會得到相應(yīng)的下降。

從實驗研究中可以得出，當產(chǎn)生1kg氧氣時的能量和s、U形成正比關(guān)系，電流的大小是通過調(diào)節(jié)電壓的大小而決定的，電流大所以需要大量的電壓，但是卻不呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。增加電壓導(dǎo)致大量能量的消耗，并不能將其全部用來制造氧氣，其中一部分都會轉(zhuǎn)為熱量促使溶液可以持續(xù)發(fā)熱。[3]

3.氧含量和電流（A）大小的關(guān)系

將標記好的氣相色譜對不同電流下電解氣中氧氣含量進行測量，從而得出電解槽中是否發(fā)生了水的見解的情況。在電解氣色譜圖當中，我們可以得出兩個峰值，從時間之中可以得出這兩個峰值屬于氧氣和氫氣。即使電解氣當中的氧含量隨著電流的增加而出現(xiàn)減少的狀況，但是其出現(xiàn)的最小值都滿足實驗的要求，并且選擇2A的電解電流時，電解氣當中的氧含量高達99.9%，從而可以得出，如果電解電流低于6A時，電解槽不會出現(xiàn)水的電解。

4.水電解的機理和KOH溶液的濃度與電流（A）的關(guān)系

關(guān)于電解的機理，即需要對電解槽的陰陽兩極反應(yīng)進行相應(yīng)的確定。從氧含量和電流大小關(guān)系的分析中可以得出，電解槽幾乎不會發(fā)生水的電解，那么對電解槽中陰陽兩極到底會發(fā)生什么樣的反應(yīng)呢？這就需要我們進行相關(guān)的實驗研究，從中得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行更深層的分析和研究。

在實驗當中，根據(jù)數(shù)據(jù)我們可以得出當產(chǎn)生1mol氧氣所需要的電子的量（s）和電流（A）的關(guān)系圖。從中可以得出1mol氧氣所需要的電子的量為2到2.5mol。并且在一般的情況下，陰極和陽極都會出現(xiàn)兩種反應(yīng)。那么就可以得出1mol氧氣的產(chǎn)生需要2mol電子或者4mol電子。

5.電解池串并聯(lián)以及不同電解液的分析比較

對傳統(tǒng)的電解制氧儀做出改進和完善，有助于讓工業(yè)生產(chǎn)得到有效的數(shù)據(jù)。我們對電解池的串聯(lián)、并聯(lián)和不同的電解液進行分析和比較研究。從研究實驗得出的結(jié)果表面，選擇并聯(lián)連接電解池時產(chǎn)生每個單位質(zhì)量的氧氣所需要的電能較少于串聯(lián)連接電解池時。主要就是并聯(lián)連接時能夠使得電能耗費較小，還擁有另外一個顯著的優(yōu)勢，就是當其中有的電解池不能工作時，電解槽依舊可以的維持整體的工作——產(chǎn)生氧氣。然而如果選擇串聯(lián)電解池，有一個電解池不能使用時，將會導(dǎo)致整個電解槽停止工作。

結(jié)語

從當前電化學制氧實驗研究的理論分析和結(jié)果中，可以得出新型的以空氣為原料的電化學制氧系統(tǒng)在電解電壓方面需求較少，耗氧量較少，該系統(tǒng)擁有較好的安全性，壽命時間長。將當前的系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，可以將系統(tǒng)的體積縮小，采用壽命長的電池代替使用，可以擁有更長遠的發(fā)展前景。

參考文獻

[1]方利國，李娟娟，王紅林.以空氣為原料的電化學提取氧研究[J].華南理工大學學報（自然科學版），2016（03）：85-88.

[2]黃征.有機體系鋰空氣電池納米氧還原電催化材料的研究[D].華中科技大學，2015.

[3]饒媛媛.中溫固體氧化物可逆電池電解質(zhì)和空氣極材料的制備及性能研究[D].中國科學技術(shù)大學，2016.