以空气为原料的电化学提取氧研究

仲鹏昊

摘 要：通过以一种空气作为原料，研究了电化学氧提取方法。电化学氧提取分离系统以泡花镍作为阳极，阴极则为碳-聚四氟乙烯空气电极，电解液选择KOH溶液。再使用常规的滴定分析方式对电解液当中各种离子浓度进行测定，将电解气的氧气纯度用气相色谱进行测定。

关键词：空气 原料 电化学 提取氧

一、我国当前的制氧状况

在工业上基本会选择空气深冷分离和变压吸附分离的方式，但是这样大规模的方法无法适用于医院或者家庭。传统的方式是把氧气存储在气袋或者钢瓶当中，但是如果里面的氧气用完了，则需要立即进行更换，这样的方式对于患者使用是十分不方便的。

在家中进行定期吸氧是最方便的地点，那么选择最适合的方法是至关重要的。可以选择较为方便的电化学制氧法，其中水电解制氧也是最简单的制氧方式。但是需要较多的电能的情况，让人们研究出了新型的电化学制氧方式。[1]

二、水电解制氧研究实验准备

1.配置和标定KOH和NaOH溶液

该试验选择了KOH溶液作为电解液，并且选择NaOH溶液进行比较实验。称取定量的KOH溶液和NaOH的固体，分开放入容量为1000ml的瓶子里，再加入适量的蒸馏水将KOH和NaOH固体完全溶解后，再加入蒸馏水到达指定的刻度线。将其放置1d后，选择指示剂为酚酞，用HCI溶液进行标定，分别将其分为不同浓度的碱液。[2]

2.测定KOH溶液的电导率

使用DDS-11型电导仪对不同温度下不同浓度KOH溶液的电导率进行测量，通过多次实验得出最大电导率时KOH溶液的浓度。

3.气相色谱的标定

在研究的实验中，选择102G型气相色谱仪对电解时产生的氧气纯度进行测定，判断其中是否会有过的氢气产生。测量前应该选择纯氧和其对色谱柱进行相应的标注。

三、水电解制氧实验的研究

1.实验装置

电化学制氧实验装置由三个部分组合而成：第一个部分为直流稳压的电源，拥有电压和电流的显示仪，可以使用相应的测量仪对其进行相关的标记。第二个部分则为电解槽，分别由四个串联的单元电解池组成。选择不同浓度的KOH溶液为电解液，泡花镍作为阳极，阴极则为碳-聚四氟乙烯空气电极。第三个部分则为集气槽，该实验选择使用排水法对氧气进行收集，让氧气温度和压力与周围环境温度和压力相一致，让氧气量可以得到更好的测量和计算。

2.实验过程

把不同浓度800ml的KOH溶液放置入电解槽之中，将电化学制氧实验装置连接起来，开启电源，将稳压电源调节好。当电流达到标准的数值时，放掉部分的气体，这部分排出的气体是电解槽内的气体而不是氧气。当装置开启2分支之后开始收集氧气，这个过程之中需要让电解电流保持不变。

四、水电解制氧实验研究获得相关数据、研究以及处理分析

1.电量（Q）和出氧量（s）的关系

如果空气内的氧气在阴极中得到电子，将会以离子的形式进入电解液，从而在电场作用下抵达阳极，同时放出电子，使氧离子还原为单质氧。即当产生1mol的氧气时需要的电子物质的量（s），为Q=nsF。

2.单位质量氧气耗能（W）和电流（A）的关系

每电解出1kg氧气时，大概需要1.56到1.86kW·h之间，并且将会随着电流的加大而加大，随着KOH溶液浓度的减少而增加。虽然将电流增大时，能够提高电解槽的制氧能力，但是也会因此导致制氧所需的耗能不断增加。KOH浓度的增加，将增加溶液的电导率，使电阻下降，从而制氧所需的能耗也会得到相应的下降。

从实验研究中可以得出，当产生1kg氧气时的能量和s、U形成正比关系，电流的大小是通过调节电压的大小而决定的，电流大所以需要大量的电压，但是却不呈现正相关的关系。增加电压导致大量能量的消耗，并不能将其全部用来制造氧气，其中一部分都会转为热量促使溶液可以持续发热。[3]

3.氧含量和电流（A）大小的关系

将标记好的气相色谱对不同电流下电解气中氧气含量进行测量，从而得出电解槽中是否发生了水的见解的情况。在电解气色谱图当中，我们可以得出两个峰值，从时间之中可以得出这两个峰值属于氧气和氢气。即使电解气当中的氧含量随着电流的增加而出现减少的状况，但是其出现的最小值都满足实验的要求，并且选择2A的电解电流时，电解气当中的氧含量高达99.9%，从而可以得出，如果电解电流低于6A时，电解槽不会出现水的电解。

4.水电解的机理和KOH溶液的浓度与电流（A）的关系

关于电解的机理，即需要对电解槽的阴阳两极反应进行相应的确定。从氧含量和电流大小关系的分析中可以得出，电解槽几乎不会发生水的电解，那么对电解槽中阴阳两极到底会发生什么样的反应呢？这就需要我们进行相关的实验研究，从中得出相应的数据进行更深层的分析和研究。

在实验当中，根据数据我们可以得出当产生1mol氧气所需要的电子的量（s）和电流（A）的关系图。从中可以得出1mol氧气所需要的电子的量为2到2.5mol。并且在一般的情况下，阴极和阳极都会出现两种反应。那么就可以得出1mol氧气的产生需要2mol电子或者4mol电子。

5.电解池串并联以及不同电解液的分析比较

对传统的电解制氧仪做出改进和完善，有助于让工业生产得到有效的数据。我们对电解池的串联、并联和不同的电解液进行分析和比较研究。从研究实验得出的结果表面，选择并联连接电解池时产生每个单位质量的氧气所需要的电能较少于串联连接电解池时。主要就是并联连接时能够使得电能耗费较小，还拥有另外一个显著的优势，就是当其中有的电解池不能工作时，电解槽依旧可以的维持整体的工作——产生氧气。然而如果选择串联电解池，有一个电解池不能使用时，将会导致整个电解槽停止工作。

结语

从当前电化学制氧实验研究的理论分析和结果中，可以得出新型的以空气为原料的电化学制氧系统在电解电压方面需求较少，耗氧量较少，该系统拥有较好的安全性，寿命时间长。将当前的系统进行优化改进，可以将系统的体积缩小，采用寿命长的电池代替使用，可以拥有更长远的发展前景。

参考文献

[1]方利国，李娟娟，王红林.以空气为原料的电化学提取氧研究[J].华南理工大学学报（自然科学版），2016（03）：85-88.

[2]黃征.有机体系锂空气电池纳米氧还原电催化材料的研究[D].华中科技大学，2015.

[3]饶媛媛.中温固体氧化物可逆电池电解质和空气极材料的制备及性能研究[D].中国科学技术大学，2016.