和铝酸钠溶液，对 饱和溶液进行超声处理。对比在超声处理条件下和无超声处理条件下溶液中最终析出沉淀 的质量。 超声波处理和无超声波处理条件下析出的沉淀质量对比如表1所示。
[0023] 表1超声处理和无超声处理析出沉淀质量对比
对以上实验结果进行分析比较，可以明显的看出，在相同的时间内超声波处理条件下 溶液中析出的沉淀比自然静置下的更多；而且随着溶液浓度的增大，这种强化析出作用更 明显。总之超声波处理能加速Al (OH)3从饱和溶液中析出，这为超声波加速Al (OH) 3胶体颗 粒沉降提供了事实依据。
[0024] 实施例3 配制Al (OH)3饱和溶液，A1/0H摩尔比为0.7。为了探讨超声作用时间对Al (OH) 3的结 晶析出的影响，在温度分别为40°C、50°C、60°C、70°C、80°C，超声功率为100W，频率为40kHz 的条件下，将饱和溶液超声处理3h。记录不同温度下沉降层厚度随时间变化的值；以及在 40°C下，不同时间内析出沉淀的质量。不同温度下溶液中沉降层厚度随时间的变化关系如 图2所示。
[0025] 不同温度下沉降层厚度都随时间的增大有增大的趋势，表明溶液中析出的 Al (OH)3随超声时间都有增大的趋势；超声作用前40min内，溶液中沉降层厚度增大较快， 说明前40min内厶1(011) 3结晶析出较快；当超声作用时间从4〇1]1；[11增大到601]1；[11时，沉降层 厚度随时间变化而增大的趋势比较缓慢，说明Al (OH)3结晶析出速度变慢；超声作用时间 超过60min时，沉降层厚度基本不随时间变化而变化，说明溶液中Al (OH) 3结晶析出趋向稳 定。
[0026] 40°C下，析出的Al (OH) 3质量随时间的变化关系如图2所示。由图2可知，溶液中 析出的Al (OH)3的质量随时间增大而增大；在超声作用前60min内溶液中析出的沉淀质量 增大较快；当时间超过60min时，溶液中析出的沉淀质量不随时间变化，说明溶液中沉淀析 出速度极小。
[0027] 在超声处理前期，超声的空化效应破坏了 Al (011)3胶体体系的稳定性，导致小颗粒 在碰撞过程中发生凝聚长大，从小颗粒变为大颗粒，加速了固液相的分离。超声作用时间的 增大使颗粒碰撞几率增大，从而使颗粒凝聚效果更好。但当超声时间增大至一定程度时， 超声空化作用将凝聚的小颗粒打散，从而阻碍了 Al (OH) 3的沉降。通过上述实验，我们选择 60min作为最佳操作时间。
[0028] 实施例4 配制Al (OH)3饱和溶液，A1/0H摩尔比为0.7。为了探讨超声功率对Al (OH) 3的结晶析 出的影响，在超声功率分别为100 W、150 W、200 W、250 W，超声温度为40°C，频率为40kHz 的条件下，将溶液超声处理3h。记录不同超声功率下沉降层厚度随时间变化的值，比较不同 功率下沉降层厚度随时间的变化关系如图3所示，不同功率下得到的沉淀的质量如图4所 不。
[0029] 溶液中析出沉淀的质量随超声功率的增大而增大，但是变化趋势不明显，增大幅 度很小，因此超声功率的改变对Al (OH)3析出过程影响很小，所以应用过程中，可以根据实 际情况选择适合的工作功率。
[0030] 实施例5 配制Al (OH)3饱和溶液，A1/0H摩尔比为0.7。为了探讨温度对Al (OH) 3的结晶析出的 影响，在温度分别为40 °C、50 °C、60°C、70 °C、80 °C，超声功率为100W，频率为40kHz的条件 下，将溶液超声处理3h。记录不同温度下沉降层厚度随时间变化的值，并比较不同温度下最 终得到沉淀的质量。
[0031] 不同温度下沉降层厚度随时间的变化关系如图5所示。由图5可知，在相同的时间 内，沉降层厚度随温度的增大而增大，说明溶液中Al(OH)J^析率随温度的升高而增大；不 同温度下，沉降层厚度变化趋势基本一致，60min后不同温度下沉降层厚度基本不再变化。
[0032] 溶液中析出的Al (OH)3质量随温度的升高而增大，说明温度对Al (OH) 3结晶析出过 程影响较大。高温有助于Al(OH)3的结晶析出。
[0033] 实施例6 溶液中沉淀的析出与Al (011)3的添加量的关系。溶液中添加晶种后沉淀析出速度加 快，最终得到的沉淀质量比不添加晶种的溶液中沉淀质量大；在相同的时间内，随着添加量 的增大溶液中沉降层厚度增大，即沉淀析出的速度随晶种添加量的增大而增大；添加量从 5g/L增大到20g/L时，在同一时间内沉降层的厚度随添加量的增大而变化较快，即沉淀析 出速度随添加量的增大而变快；而添加量从20g/L增大到30g/L时，沉淀层的厚度变化比较 小，即溶液中Al (OH)3的析出速度随添加量的增大而变化较小；在前60min内溶液中沉淀析 出速度较快，超过60min后，沉淀的质量随时间的变化极小，具体结果如图6所示。
[0034] 实施例7 配制浓度为40mL4mol/L Na0H+0. 05mol/LNa2Sn03的溶液，称取6. 71g高纯铝。通直流 电进行溶解，以铝为阳极，石墨为阴极。当电压下降时，开始补充浓度为4mol/L的电解液， 记录过程中的电压-时间曲线。补充电解液和不充电电解液时的电压-时间曲线如图7所 不。
[0035] 实施例8 补充电解液的方式有两种，一种是直接加固体电解质NaOH，另一种则是向储液槽添加 高浓度的NaOH。通过实验对比两种添加方式的调节效果，选择其中更有效的添加方式。实 验方法如下： 1) 制备IOOmL A1/0H为0? 7的饱和溶液； 2) 向饱和溶液中分别添加一定量的固体氢氧化钠，5mol/L，10 mol/L，15 mol/L，20 mol/L的高浓度NaOH溶液，用电导率测试笔测试溶液的电导率，记录电导率随时间变化的 值； 3) 通过曲线研究对比不同补充方式的有效性，选择适合的补充方式。
[0036] 补充电解液后电导率随时间变化趋势如图8所示。由图8可知，无论选择何种方 式补充电解液，溶液的电导率比不补充时都有所增大；补充高浓度液体比直接添加固体电 解质时电导率变化更快，因为固体溶液需要一段时间，而且浓度分布不均匀；补充高浓度电 解液时，随着浓度的增大，电导率的变化速度也随之增大。因此我们选择20mol/L的电解液 作为补充溶液。
[0037] 考虑到铝-空气电池系统在不同环境下工作，因此需要考虑环境温度的影响，因 为在不同温度下，NaOH的溶解度会随之变化。由图9可知，NaOH的溶解度随温度的增大而 增大。理论上溶液浓度更大，在相同物质的量情况下，占有体积越少，可以为电池系统节省 储存电解液的空间。但是考虑到极端的环境，我们选择〇°C时的溶解度作为补充的电解液的 浓度，通过计算得到该质量浓度下物质的量浓度应为15mol/L (溶解度为42g)。
【主权项】
1. 一种铝空气电池循环过滤系统，包括储液槽、压力栗、铝空气电池电堆、热交换器、温 度传感器、电池反应产物沉降槽和过滤器，其特征在于所述沉降槽中装有超声装置和晶种 添加装置，储液槽带有电解液自动补加装置。2. 根据权利要求1所述的铝空气电池循环过滤系统，其特征在于所述储液槽的出料口 经压力栗与铝空气电池电堆的进料口相连，铝空气电池电堆的出料口经热交换器和温度传 感器与电池反应产物沉降槽的进料口相连，电池反应产物沉降槽的出料口经过滤器、压力 表与储液槽的进料口相连。3. -种利用权利要求1或2所述铝空气电池循环过滤系统进行铝空气电池循环过滤的 方法，其特征在于所述方法步骤如下： 步骤一：铝空气电池电堆开始工作后，压力栗在铝空气电池电堆供电下工作，将电解液 从储液槽中通入铝空气电池电堆； 步骤二：从铝空气电池电堆流出的反应后的电解液在热交换器中加热，达到40-80°C后，进入电池反应产物沉降槽，电解液达到电池反应产物沉降槽体积1/2-2/3后，压力栗停 止工作，停止供液； 步骤三：电解液进入电池反应产物沉降槽后，超声装置开始工作，同时，添加Al (OH) 3 晶种，在温度、超声、晶种的三重作用下，三水铝石会快速沉降； 步骤四：沉降完成后的电解液进入过滤器，在过滤器的作用下，进一步过滤，保证三水 铝石去除干净，同时压力栗可继续工作，使需要处理的电解液继续进入电池反应产物沉降 槽沉降； 步骤五：过滤完成的电解液会在储液槽中收集，同时由于反应后电解液浓度下降，需要 补充高浓度电解液，以维持浓度恒定。4. 根据权利要求3所述的铝空气电池循环过滤的方法，其特征在于所述步骤二中，温 度为80°C。5. 根据权利要求3所述的铝空气电池循环过滤的方法，其特征在于所述超声时间为 60min〇6. 根据权利要求3所述的铝空气电池循环过滤的方法，其特征在于所述超声时间为 40-60min〇7. 根据权利要求3所述的铝空气电池循环过滤的方法，其特征在于所述超声时间为 60min〇8. 根据权利要求3所述的铝空气电池循环过滤的方法，其特征在于所述晶种添加量为 5_30g/L。9. 根据权利要求3所述的铝空气电池循环过滤的方法，其特征在于所述晶种添加量为 20g/L〇10. 根据权利要求3所述的铝空气电池循环过滤的方法，其特征在于所述高浓度电解 液的浓度为15mol/L〇
【专利摘要】本发明公开了一种铝空气电池循环过滤系统及方法，所述系统包括储液槽、压力泵、铝空气电池电堆、热交换器、温度传感器、电池反应产物沉降槽和过滤器，沉降槽中装有超声装置和晶种添加装置，储液槽带有电解液自动补加装置，储液槽的出料口经压力泵与铝空气电池电堆的进料口相连，铝空气电池电堆的出料口经热交换器和温度传感器与电池反应产物沉降槽的进料口相连，电池反应产物沉降槽的出料口经过滤器、压力表与储液槽的进料口相连。本发明在沉降槽中安装有超声装置和晶种添加装置，对于铝空气电池电堆反应过程中产生的三水铝石具有极强的过滤能力和过滤效率；储液槽可自动补加高浓度电解液，保证电池工作过程中电解液浓度的恒定。
【IPC分类】H01M12/06, H01M8/04
【公开号】CN105161796
【申请号】CN201510577549
【发明人】高云智, 曹毅, 李琴, 付传凯, 王龙
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年9月12日