專利名稱：電化學雙極制氧的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制備氧氣的方法及裝置，尤其是電化學雙極制氧的方法及裝置，該方法和裝置適用于電化學陰極和陽極同時制備氧氣的場合。
在本發(fā)明作出之前，制備氧氣的途徑大致有三類，第一類是工業(yè)上使用的氧氣，通常采用空分法及空分裝置制備，該法以空氣為原料，經(jīng)加壓、降溫等手段，從空氣中分離出氧氣，然后用鋼瓶灌氧，由于該法制備氧氣的設備大，灌氧鋼瓶的內(nèi)壓高，加之運輸不便，從而大大限制了高原地區(qū)和邊遠地區(qū)的醫(yī)院以及家庭等用氧場所的廣泛應用;第二類是中國專利CN86104506A、CN2061058u CN1060635A提供的用過氧化物分解的方法來制備氧氣，它為醫(yī)院危重傷病員急救時用氧提供了便利，且攜帶和使用也較方便，但由于該法在制備氧氣過程中需耗用若干種貴重的化學品，制氧成本昂貴，而且每次制備氧氣的量較少，時間短，不能連續(xù)制備氧氣，除提供急救時需要外，大規(guī)模推廣應用將受到限制;第三類是中國專利CN2050429u提供的用電解水制備氧氣的方法及制氧器裝置，該制氧器由金屬陰極、陽極，隔膜及槽體組成，通電后，陰極析氫，陽極產(chǎn)氧，為避免氫氣和氧氣混合，陰、陽極間用隔膜分開，該法雖然制氧方便，價格較低，使用簡便，但由于陰極析氫，需用隔膜與陽極分隔，從而既增加了電解槽的復雜性和制造成本，又浪費了由膜電阻所產(chǎn)生的能耗，更重要的是陰極析出的氫氣在室內(nèi)達到一定的濃度范圍后，在氧氣使用過程中遇火易發(fā)生爆炸，具有危險性，因而在實際應用中難予實施。
針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的任務是提供一種在電化學體系中陰極和陽極能同時快速、連續(xù)制備氧氣、結構簡單合理、能耗低、價格低廉、操作簡便、使用安全、應用范圍廣的電化學雙極制氧的方法及裝置。
電化學雙極制氧的方法是在電化學雙極制氧裝置中，以空氣為原料，在堿性電解液作用下，通電后，在空氣陰極(2)外層催化層表面經(jīng)氣、液、固三相接觸，首先將空氣中的氧氣還原成過氧化氫離子和氫氧根離子，然后生成的過氧化氫離子與金屬催化網(wǎng)(3)接觸分解成氧氣和氫氧根離子，同時，空氣陰極(2)還原和金屬催化網(wǎng)(3)催化分解所生成的二個氫氧根離子在金屬陽極(4)上氧化成氧氣和水;本發(fā)明應用電化學反應與化學(催化)分解反應相結合的原理進行雙極制氧，其反應式如下1 陰極反應為
2 化學(催化)分解反應為
3 陽極反應為
(電極反應式中的e表示參與電極反應的電子，φ°表示標準電極電位)制氧裝置空氣陰極(2)和金屬催化網(wǎng)(3)之間及金屬陽極(4)所生成的氧氣與電解液通過電解槽本體(14)上部的氧氣和電解液出口(10)進入電解液容器兼氣液分離器(15)，其中經(jīng)分離后的氧氣通過水洗瓶(16)和干燥器(17)直接使用或貯存，電解液經(jīng)過電解液容器兼氣液分離器(15)重新返回電解槽本體(14)，電解液構成自循環(huán)系統(tǒng)，尾氣經(jīng)過尾氣觀察瓶(18)排入大氣，因而達到了電化學雙極制氧的目的。
堿性電解液(6)可以是氫氧化鉀水溶液或氫氧化鈉水溶液，其濃度范圍為1-10mol.L-1。
電化學雙極制氧所需的空氣最佳選擇為空氣經(jīng)堿石灰干燥器(12)除去塵埃和二氧化碳等雜質(zhì)。
電化學雙極制氧方法的裝置為在桶式結構，包含有電解槽槽體(7)、陰極(2)，金屬陽極(4)，陰極(2)為空氣陰極，電解槽本體(14)由設置在電解槽槽體(7)內(nèi)的空氣陰極(2)、金屬催化網(wǎng)(3)、金屬陽極(4)所組成，堿性電解液(6)放置在電解槽槽體(7)和電解液容器兼氣液分離器(15)內(nèi)，空氣陰極(2)和金屬催化網(wǎng)(3)及金屬催化網(wǎng)(3)和金屬陽極(4)之間設置塑料隔網(wǎng)(5)，該塑料隔網(wǎng)(5)主要用于隔離電極、分布電解液以及作氧氣通道，空氣陰極(2)由防水導電透氣膜(20)、導電網(wǎng)(21)和電催化膜(22)組成，電解槽本體(14)上部設置空氣入口(1)、氧氣和電解液出口(10)，該電解槽本體(14)下部設置尾氣出口(8)和電解液循環(huán)入口(11)，空氣陰極(2)內(nèi)設有空氣室(9)，金屬催化網(wǎng)(3)由內(nèi)層金屬基體和外層催化層兩部分通過熱浸法或電鍍法制成，空氣入口(1)通過堿石灰干燥器(12)與空氣泵(9)連接，氧氣和電解液出口(10)與電解液容器兼氣液分離器(15)、電解液循環(huán)入口(11)構成電解液自循環(huán)系統(tǒng)，電解液容器兼氣液分離器(15)與水洗瓶(16)和干燥器(17)連接，尾氣出口(8)與尾氣觀察瓶(18)連接，電解槽本體(14)中的空氣陰極(2)、金屬陽極(4)分別與直流電整流裝置(13)中的負極、正極相連，該直流電整流裝置(13)上設置開關K1和K2，金屬陽極采用鎳鐵合金或以不銹鋼為基體的鎳材料，其電極形狀可以是網(wǎng)狀或平板型或席型。
電催化膜(22)所采用的電催化劑可以是光譜純石墨粉或鱗片石墨粉。
金屬催化網(wǎng)(3)中的金屬基體可以是鎳網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)或鐵絲網(wǎng)，金屬催化網(wǎng)(3)中的催化層可以是二氧化錳、氧化鈷等非貴金屬氧化物或鐵鹽、銅鹽材料。
本發(fā)明的方法和裝置中的理論分解電壓為+0.48伏(φ°2-φ°1＝0.48伏)，屬于二電子反應，與現(xiàn)有技術電解水制氧理論分解電壓+1.23伏相比，下降了0.75伏，且在同等電量下，本發(fā)明的產(chǎn)氧量比電解水制氧增加一倍(因為電解水制氧消耗4法拉弟電量只能產(chǎn)生1克分子氧氣，而本發(fā)明則可產(chǎn)生2克分子氧氣)，在制氧過程中，理論上只消耗空氣中的氧氣和外線路提供的電能，一旦通電，即可快速連續(xù)制備氧氣，除雙極產(chǎn)生氧氣外，不會析出具有危險性的氧氣，故槽內(nèi)無須設置隔膜材料。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其主要優(yōu)點是采用空氣陰極(2)和金屬催化網(wǎng)(3)取代了電解水制氧中的析氫金屬陰極，使該裝置內(nèi)的空氣陰極(2)與金屬催化網(wǎng)(3)之間以及金屬陽極(4)同時產(chǎn)生氧氣，故具有陰極和陽極同時快速連續(xù)制氧，結構簡單合理，能耗低，效率高，不析氫，無隔膜，價格低廉，操作簡便，使用安全，應用范圍廣等優(yōu)點，可廣泛應用于醫(yī)院、實驗室、家庭、魚類養(yǎng)殖場等供氧場所，尤其可以對交通不發(fā)達的高原地區(qū)和邊遠地區(qū)的用氧單位帶來便利，因此有較大的實用價值和社會經(jīng)濟效益。


圖1為電化學雙極制氧裝置結構示意圖。
其中12-堿石灰干燥器，13-直流電整流裝置，14-電解槽本體，15-電解液容器兼氣液分離器，16-水洗瓶，17-干燥器，18-尾氣觀察瓶，19-空氣泵。
圖2為電解槽本體(14)結構示意圖。
其中1-空氣入口，2-空氣陰極，3-金屬催化網(wǎng)，4-金屬陽極，5-塑料隔網(wǎng)，6-堿性電解液，7-電解槽槽體，8-尾氣出口，9-空氣室，10-氧氣和電解液出口，11-電解液循環(huán)入口。
圖3為空氣陰極(2)結構示意圖。
其中20-防水導電透氣膜，21-導電網(wǎng)，22-電催化膜。
圖1、圖2、圖3是本發(fā)明的具體實施例。
實施例1如圖2和3所示，電化學雙極制氧裝置由兩個空氣陰極(2)和兩個金屬陽極(4)分別構成兩個單電池，經(jīng)并聯(lián)而成;空氣陰極(2)由兩片防水導電透氣膜(20)、中間夾一層拉伸銅網(wǎng)鍍銀的導電網(wǎng)(21)和電催化膜(22)三部分經(jīng)冷壓、燒結制成，其中電催化膜(22)由振動球磨加工制成的超細鱗片石墨粉作電催化劑，并與聚四氟乙烯乳液、活性炭、OP乳化劑和蒸餾水經(jīng)混勻、加熱、碾壓和丙酮抽提等過程制成;金屬陽極(4)為以席型不銹鋼網(wǎng)作基體的鍍鎳材料;金屬催化網(wǎng)(3)的金屬基體為不銹鋼網(wǎng)，催化層為二氧化錳，用熱浸法制成;塑料隔網(wǎng)(5)為聚丙烯編織網(wǎng);電解槽槽體(7)由聚丙烯塑料焊接或注塑而成;堿性電解液(6)為7mol.L-1試劑氫氧化鉀水溶液。
電解運行時，金屬陽極(4)和空氣陰極(2)與外電路正、負極接通，參加反應的空氣自空氣入口(1)由泵送入空氣室(9)，殘余的尾氣從尾氣出口(8)排出電解槽槽體(7)外，堿性電解液(6)由電解液循環(huán)入口(11)流入電解槽槽體(7)內(nèi)，生成的氧氣與堿性電解液(6)一起從氧氣和電解液出口(10)排出電解槽槽體(7)外，在電解過程中，堿性電解液(6)在氧氣和電解液出口(10)與電解液循環(huán)入口(11)之間保持自循環(huán)。
實施例2如圖1所示，電化學雙極制氧時，首先由空氣泵(19)將空氣送至堿石灰干燥器(12)，以除去空氣中的塵埃和二氧化碳等雜質(zhì)，而后把處理過的空氣輸入電解槽本體(14)中的空氣室(9)，尾氣由尾氣觀察瓶(18)排入大氣，堿性電解液(6)由電解液容器兼氣液分離器(15)輸入電解槽本體(14)，同時，電解槽本體(14)中的空氣陰極(2)和金屬陽極(4)與直流電整流裝置(13)中的負、正極接通，通電后，電解槽本體(14)內(nèi)的空氣陰極(2)和金屬催化網(wǎng)(3)之間以及金屬陽極(4)同時產(chǎn)生氧氣，反應產(chǎn)生的氧氣與電解槽本體(14)中的堿性電解液(6)一起通過氧氣和電解液出口(10)流入電解液容器兼氣液分離器(15)，經(jīng)電解液容器兼氣液分離器(15)分離后的氧氣通過水洗瓶(16)和干燥器(17)凈化，供直接使用或貯存，而堿性電解液(6)在電解液容器兼氣液分離器(15)與電解槽本體(14)之間自循環(huán)。
實施例3按照實施例1和2進行電化學雙極制氧，其中該裝置的空氣陰極(2)和金屬陽極(4)的電極面積均為120cm2，反應電流18A，電解槽電壓1.95V，堿性電解液7mol.L-1KOH，反應溫度296.7°K，產(chǎn)生的氧氣為5.031l.h-1，析氧效率達67.1%，氧氣純度98%以上。
權利要求
1.電化學雙極制氧的方法，其特征是在電化學雙極制氧裝置中，以空氣為原料，在堿性電解液作用下，通電后，在空氣陰極(2)上首先將空氣中的氧氣還原成過氧化氫離子和氫氧根離子，然后生成的過氧化氫離子與金屬催化網(wǎng)(3)接觸分解成氧氣和氫氧根離子，同時，空氣陰極(2)還原和金屬催化網(wǎng)(3)催化分解所生成的二個氫氧根離子在金屬陽極(4)上氧化成氧氣和水，空氣陰極(2)、金屬催化網(wǎng)(3)之間及金屬陽極(4)同時所生成的氧氣與電解液一起通過電解槽本體(14)上部的氧氣和電解液出口(10)進入電解液容器兼氣液分離器(15)，其中分離后的氧氣通過水洗瓶(16)和干燥器(17)直接使用或貯存，堿性電解液經(jīng)過電解液容器兼氣液分離器(15)重新返回電解槽本體(14)，電解液構成自循環(huán)系統(tǒng)，尾氣經(jīng)過尾氣觀察瓶(18)排入大氣，達到電化學雙極制氧的目的。
2.如權利要求1所述的制氧方法，其特征是所用的堿性電解液可以是氫氧化鉀水溶液或氫氧化鈉水溶液，其濃度范圍為1-10mol.L-1。
3.如權利要求1所述的制氧方法，其特征是電化學雙極制氧所需的空氣最佳選擇為空氣經(jīng)堿石灰干燥器(12)除去塵埃和二氧化碳等雜質(zhì)。
4.如權利要求1所述的電化學雙極制氧的方法的裝置，包含有電解槽槽體(7)、陰極(2)、金屬陽極(4)，其特征是陰極(2)為空氣陰極，電解槽本體(14)由設置在電解槽槽體(7)內(nèi)的空氣陰極(2)、金屬催化網(wǎng)(3)、金屬陽極(4)所組成，堿性電解液(6)放置在電解槽槽體(7)內(nèi)，空氣陰極(2)和金屬催化網(wǎng)(3)及金屬催化網(wǎng)(3)和金屬陽極(4)間設置塑料隔網(wǎng)(5)，空氣陰極(2)由防水導電透氣膜(20)、導電網(wǎng)(21)和電催化膜(22)組成，金屬催化網(wǎng)(3)由內(nèi)層金屬基體和外層催化層兩部分通過熱浸法或電鍍法制成。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征是電催化膜(22)所采用的電催化劑可以是光譜純石墨粉或鱗片石墨粉。
6.如權利要求4所述的裝置，其特征是金屬催化網(wǎng)(3)中的金屬基體可以是鎳網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)或鐵絲網(wǎng)，金屬催化網(wǎng)(3)中的催化層可以是二氧化錳、氧化鈷等非貴金屬氧化物或鐵鹽、銅鹽材料。
全文摘要
本發(fā)明是一種電化學雙極制氧的方法及裝置，它主要由空氣陰極(2)、金屬催化網(wǎng)(3)、金屬陽極(4)組成的電解槽本體(14)以及直流電整流裝置(13)、電解液容器兼氣液分離器(15)、水洗瓶(16)、干燥器(17)、尾氣觀察瓶(18)構成，該法以空氣為原料，通電后，在空氣陰極(2)與金屬催化網(wǎng)(3)之間及金屬陽極(4)同時產(chǎn)生氧氣，其優(yōu)點是結構簡單合理，能耗低，效率高，操作簡便，使用安全，應用范圍廣，故具有較大的實用價值和社會經(jīng)濟效益。
文檔編號C25B1/04GK1085607SQ9211223
公開日1994年4月20日 申請日期1992年10月10日 優(yōu)先權日1992年10月10日
發(fā)明者馬淳安 申請人:浙江工學院