专利名称：电化学双极制氧的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及制备氧气的方法及装置，尤其是电化学双极制氧的方法及装置，该方法和装置适用于电化学阴极和阳极同时制备氧气的场合。
在本发明作出之前，制备氧气的途径大致有三类，第一类是工业上使用的氧气，通常采用空分法及空分装置制备，该法以空气为原料，经加压、降温等手段，从空气中分离出氧气，然后用钢瓶灌氧，由于该法制备氧气的设备大，灌氧钢瓶的内压高，加之运输不便，从而大大限制了高原地区和边远地区的医院以及家庭等用氧场所的广泛应用;第二类是中国专利CN86104506A、CN2061058u CN1060635A提供的用过氧化物分解的方法来制备氧气，它为医院危重伤病员急救时用氧提供了便利，且携带和使用也较方便，但由于该法在制备氧气过程中需耗用若干种贵重的化学品，制氧成本昂贵，而且每次制备氧气的量较少，时间短，不能连续制备氧气，除提供急救时需要外，大规模推广应用将受到限制;第三类是中国专利CN2050429u提供的用电解水制备氧气的方法及制氧器装置，该制氧器由金属阴极、阳极，隔膜及槽体组成，通电后，阴极析氢，阳极产氧，为避免氢气和氧气混合，阴、阳极间用隔膜分开，该法虽然制氧方便，价格较低，使用简便，但由于阴极析氢，需用隔膜与阳极分隔，从而既增加了电解槽的复杂性和制造成本，又浪费了由膜电阻所产生的能耗，更重要的是阴极析出的氢气在室内达到一定的浓度范围后，在氧气使用过程中遇火易发生爆炸，具有危险性，因而在实际应用中难予实施。
针对现有技术的不足，本发明的任务是提供一种在电化学体系中阴极和阳极能同时快速、连续制备氧气、结构简单合理、能耗低、价格低廉、操作简便、使用安全、应用范围广的电化学双极制氧的方法及装置。
电化学双极制氧的方法是在电化学双极制氧装置中，以空气为原料，在碱性电解液作用下，通电后，在空气阴极(2)外层催化层表面经气、液、固三相接触，首先将空气中的氧气还原成过氧化氢离子和氢氧根离子，然后生成的过氧化氢离子与金属催化网(3)接触分解成氧气和氢氧根离子，同时，空气阴极(2)还原和金属催化网(3)催化分解所生成的二个氢氧根离子在金属阳极(4)上氧化成氧气和水;本发明应用电化学反应与化学(催化)分解反应相结合的原理进行双极制氧，其反应式如下1 阴极反应为
2 化学(催化)分解反应为
3 阳极反应为
(电极反应式中的e表示参与电极反应的电子，φ°表示标准电极电位)制氧装置空气阴极(2)和金属催化网(3)之间及金属阳极(4)所生成的氧气与电解液通过电解槽本体(14)上部的氧气和电解液出口(10)进入电解液容器兼气液分离器(15)，其中经分离后的氧气通过水洗瓶(16)和干燥器(17)直接使用或贮存，电解液经过电解液容器兼气液分离器(15)重新返回电解槽本体(14)，电解液构成自循环系统，尾气经过尾气观察瓶(18)排入大气，因而达到了电化学双极制氧的目的。
碱性电解液(6)可以是氢氧化钾水溶液或氢氧化钠水溶液，其浓度范围为1-10mol.L-1。
电化学双极制氧所需的空气最佳选择为空气经碱石灰干燥器(12)除去尘埃和二氧化碳等杂质。
电化学双极制氧方法的装置为在桶式结构，包含有电解槽槽体(7)、阴极(2)，金属阳极(4)，阴极(2)为空气阴极，电解槽本体(14)由设置在电解槽槽体(7)内的空气阴极(2)、金属催化网(3)、金属阳极(4)所组成，碱性电解液(6)放置在电解槽槽体(7)和电解液容器兼气液分离器(15)内，空气阴极(2)和金属催化网(3)及金属催化网(3)和金属阳极(4)之间设置塑料隔网(5)，该塑料隔网(5)主要用于隔离电极、分布电解液以及作氧气通道，空气阴极(2)由防水导电透气膜(20)、导电网(21)和电催化膜(22)组成，电解槽本体(14)上部设置空气入口(1)、氧气和电解液出口(10)，该电解槽本体(14)下部设置尾气出口(8)和电解液循环入口(11)，空气阴极(2)内设有空气室(9)，金属催化网(3)由内层金属基体和外层催化层两部分通过热浸法或电镀法制成，空气入口(1)通过碱石灰干燥器(12)与空气泵(9)连接，氧气和电解液出口(10)与电解液容器兼气液分离器(15)、电解液循环入口(11)构成电解液自循环系统，电解液容器兼气液分离器(15)与水洗瓶(16)和干燥器(17)连接，尾气出口(8)与尾气观察瓶(18)连接，电解槽本体(14)中的空气阴极(2)、金属阳极(4)分别与直流电整流装置(13)中的负极、正极相连，该直流电整流装置(13)上设置开关K1和K2，金属阳极采用镍铁合金或以不锈钢为基体的镍材料，其电极形状可以是网状或平板型或席型。
电催化膜(22)所采用的电催化剂可以是光谱纯石墨粉或鳞片石墨粉。
金属催化网(3)中的金属基体可以是镍网或不锈钢网或铁丝网，金属催化网(3)中的催化层可以是二氧化锰、氧化钴等非贵金属氧化物或铁盐、铜盐材料。
本发明的方法和装置中的理论分解电压为+0.48伏(φ°2-φ°1＝0.48伏)，属于二电子反应，与现有技术电解水制氧理论分解电压+1.23伏相比，下降了0.75伏，且在同等电量下，本发明的产氧量比电解水制氧增加一倍(因为电解水制氧消耗4法拉弟电量只能产生1克分子氧气，而本发明则可产生2克分子氧气)，在制氧过程中，理论上只消耗空气中的氧气和外线路提供的电能，一旦通电，即可快速连续制备氧气，除双极产生氧气外，不会析出具有危险性的氧气，故槽内无须设置隔膜材料。
本发明与现有技术相比，其主要优点是采用空气阴极(2)和金属催化网(3)取代了电解水制氧中的析氢金属阴极，使该装置内的空气阴极(2)与金属催化网(3)之间以及金属阳极(4)同时产生氧气，故具有阴极和阳极同时快速连续制氧，结构简单合理，能耗低，效率高，不析氢，无隔膜，价格低廉，操作简便，使用安全，应用范围广等优点，可广泛应用于医院、实验室、家庭、鱼类养殖场等供氧场所，尤其可以对交通不发达的高原地区和边远地区的用氧单位带来便利，因此有较大的实用价值和社会经济效益。
图1为电化学双极制氧装置结构示意图。
其中12-碱石灰干燥器，13-直流电整流装置，14-电解槽本体，15-电解液容器兼气液分离器，16-水洗瓶，17-干燥器，18-尾气观察瓶，19-空气泵。
图2为电解槽本体(14)结构示意图。
其中1-空气入口，2-空气阴极，3-金属催化网，4-金属阳极，5-塑料隔网，6-碱性电解液，7-电解槽槽体，8-尾气出口，9-空气室，10-氧气和电解液出口，11-电解液循环入口。
图3为空气阴极(2)结构示意图。
其中20-防水导电透气膜，21-导电网，22-电催化膜。
图1、图2、图3是本发明的具体实施例。
实施例1如图2和3所示，电化学双极制氧装置由两个空气阴极(2)和两个金属阳极(4)分别构成两个单电池，经并联而成;空气阴极(2)由两片防水导电透气膜(20)、中间夹一层拉伸铜网镀银的导电网(21)和电催化膜(22)三部分经冷压、烧结制成，其中电催化膜(22)由振动球磨加工制成的超细鳞片石墨粉作电催化剂，并与聚四氟乙烯乳液、活性炭、OP乳化剂和蒸馏水经混匀、加热、碾压和丙酮抽提等过程制成;金属阳极(4)为以席型不锈钢网作基体的镀镍材料;金属催化网(3)的金属基体为不锈钢网，催化层为二氧化锰，用热浸法制成;塑料隔网(5)为聚丙烯编织网;电解槽槽体(7)由聚丙烯塑料焊接或注塑而成;碱性电解液(6)为7mol.L-1试剂氢氧化钾水溶液。
电解运行时，金属阳极(4)和空气阴极(2)与外电路正、负极接通，参加反应的空气自空气入口(1)由泵送入空气室(9)，残余的尾气从尾气出口(8)排出电解槽槽体(7)外，碱性电解液(6)由电解液循环入口(11)流入电解槽槽体(7)内，生成的氧气与碱性电解液(6)一起从氧气和电解液出口(10)排出电解槽槽体(7)外，在电解过程中，碱性电解液(6)在氧气和电解液出口(10)与电解液循环入口(11)之间保持自循环。
实施例2如图1所示，电化学双极制氧时，首先由空气泵(19)将空气送至碱石灰干燥器(12)，以除去空气中的尘埃和二氧化碳等杂质，而后把处理过的空气输入电解槽本体(14)中的空气室(9)，尾气由尾气观察瓶(18)排入大气，碱性电解液(6)由电解液容器兼气液分离器(15)输入电解槽本体(14)，同时，电解槽本体(14)中的空气阴极(2)和金属阳极(4)与直流电整流装置(13)中的负、正极接通，通电后，电解槽本体(14)内的空气阴极(2)和金属催化网(3)之间以及金属阳极(4)同时产生氧气，反应产生的氧气与电解槽本体(14)中的碱性电解液(6)一起通过氧气和电解液出口(10)流入电解液容器兼气液分离器(15)，经电解液容器兼气液分离器(15)分离后的氧气通过水洗瓶(16)和干燥器(17)净化，供直接使用或贮存，而碱性电解液(6)在电解液容器兼气液分离器(15)与电解槽本体(14)之间自循环。
实施例3按照实施例1和2进行电化学双极制氧，其中该装置的空气阴极(2)和金属阳极(4)的电极面积均为120cm2，反应电流18A，电解槽电压1.95V，碱性电解液7mol.L-1KOH，反应温度296.7°K，产生的氧气为5.031l.h-1，析氧效率达67.1%，氧气纯度98%以上。
权利要求
1.电化学双极制氧的方法，其特征是在电化学双极制氧装置中，以空气为原料，在碱性电解液作用下，通电后，在空气阴极(2)上首先将空气中的氧气还原成过氧化氢离子和氢氧根离子，然后生成的过氧化氢离子与金属催化网(3)接触分解成氧气和氢氧根离子，同时，空气阴极(2)还原和金属催化网(3)催化分解所生成的二个氢氧根离子在金属阳极(4)上氧化成氧气和水，空气阴极(2)、金属催化网(3)之间及金属阳极(4)同时所生成的氧气与电解液一起通过电解槽本体(14)上部的氧气和电解液出口(10)进入电解液容器兼气液分离器(15)，其中分离后的氧气通过水洗瓶(16)和干燥器(17)直接使用或贮存，碱性电解液经过电解液容器兼气液分离器(15)重新返回电解槽本体(14)，电解液构成自循环系统，尾气经过尾气观察瓶(18)排入大气，达到电化学双极制氧的目的。
2.如权利要求1所述的制氧方法，其特征是所用的碱性电解液可以是氢氧化钾水溶液或氢氧化钠水溶液，其浓度范围为1-10mol.L-1。
3.如权利要求1所述的制氧方法，其特征是电化学双极制氧所需的空气最佳选择为空气经碱石灰干燥器(12)除去尘埃和二氧化碳等杂质。
4.如权利要求1所述的电化学双极制氧的方法的装置，包含有电解槽槽体(7)、阴极(2)、金属阳极(4)，其特征是阴极(2)为空气阴极，电解槽本体(14)由设置在电解槽槽体(7)内的空气阴极(2)、金属催化网(3)、金属阳极(4)所组成，碱性电解液(6)放置在电解槽槽体(7)内，空气阴极(2)和金属催化网(3)及金属催化网(3)和金属阳极(4)间设置塑料隔网(5)，空气阴极(2)由防水导电透气膜(20)、导电网(21)和电催化膜(22)组成，金属催化网(3)由内层金属基体和外层催化层两部分通过热浸法或电镀法制成。
5.如权利要求4所述的装置，其特征是电催化膜(22)所采用的电催化剂可以是光谱纯石墨粉或鳞片石墨粉。
6.如权利要求4所述的装置，其特征是金属催化网(3)中的金属基体可以是镍网或不锈钢网或铁丝网，金属催化网(3)中的催化层可以是二氧化锰、氧化钴等非贵金属氧化物或铁盐、铜盐材料。
全文摘要
本发明是一种电化学双极制氧的方法及装置，它主要由空气阴极(2)、金属催化网(3)、金属阳极(4)组成的电解槽本体(14)以及直流电整流装置(13)、电解液容器兼气液分离器(15)、水洗瓶(16)、干燥器(17)、尾气观察瓶(18)构成，该法以空气为原料，通电后，在空气阴极(2)与金属催化网(3)之间及金属阳极(4)同时产生氧气，其优点是结构简单合理，能耗低，效率高，操作简便，使用安全，应用范围广，故具有较大的实用价值和社会经济效益。
文档编号C25B1/04GK1085607SQ9211223
公开日1994年4月20日 申请日期1992年10月10日 优先权日1992年10月10日
发明者马淳安 申请人:浙江工学院