以空氣為原料的電化學(xué)提取氧研究

（濟(jì)寧市兗州區(qū)顏店鎮(zhèn)中心中學(xué) 山東濟(jì)寧 272100）

一、我國當(dāng)前的制氧狀況

在工業(yè)上基本會(huì)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(chǔ)在氣袋或者鋼瓶當(dāng)中，但是如果里面的氧氣用完了，則需要立即進(jìn)行更換，這樣的方式對(duì)于患者使用是十分不方便的。

在家中進(jìn)行定期吸氧是最方便的地點(diǎn)，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(xué)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(xué)制氧方式。[1]

二、水電解制氧研究實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.配置和標(biāo)定KOH和NaOH溶液

該試驗(yàn)選擇了KOH溶液作為電解液，并且選擇NaOH溶液進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)。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(dá)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(jìn)行標(biāo)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(duì)不同溫度下不同濃度KOH溶液的電導(dǎo)率進(jìn)行測量，通過多次實(shí)驗(yàn)得出最大電導(dǎo)率時(shí)KOH溶液的濃度。

3.氣相色譜的標(biāo)定

在研究的實(shí)驗(yàn)中，選擇102G型氣相色譜儀對(duì)電解時(shí)產(chǎn)生的氧氣純度進(jìn)行測定，判斷其中是否會(huì)有過的氫氣產(chǎn)生。測量前應(yīng)該選擇純氧和其對(duì)色譜柱進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)注。

三、水電解制氧實(shí)驗(yàn)的研究

1.實(shí)驗(yàn)裝置

電化學(xué)制氧實(shí)驗(yàn)裝置由三個(gè)部分組合而成：第一個(gè)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(duì)其進(jìn)行相關(guān)的標(biāo)記。第二個(gè)部分則為電解槽，分別由四個(gè)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(gè)部分則為集氣槽，該實(shí)驗(yàn)選擇使用排水法對(duì)氧氣進(jìn)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(jì)算。

2.實(shí)驗(yàn)過程

把不同濃度800ml的KOH溶液放置入電解槽之中，將電化學(xué)制氧實(shí)驗(yàn)裝置連接起來，開啟電源，將穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)好。當(dāng)電流達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值時(shí)，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(dāng)裝置開啟2分支之后開始收集氧氣，這個(gè)過程之中需要讓電解電流保持不變。

四、水電解制氧實(shí)驗(yàn)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(huì)以離子的形式進(jìn)入電解液，從而在電場作用下抵達(dá)陽極，同時(shí)放出電子，使氧離子還原為單質(zhì)氧。即當(dāng)產(chǎn)生1mol的氧氣時(shí)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(shí)，大概需要1.56到1.86kW·h之間，并且將會(huì)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(shí)，能夠提高電解槽的制氧能力，但是也會(huì)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(huì)得到相應(yīng)的下降。

從實(shí)驗(yàn)研究中可以得出，當(dāng)產(chǎn)生1kg氧氣時(shí)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(huì)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(biāo)記好的氣相色譜對(duì)不同電流下電解氣中氧氣含量進(jìn)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(dāng)中，我們可以得出兩個(gè)峰值，從時(shí)間之中可以得出這兩個(gè)峰值屬于氧氣和氫氣。即使電解氣當(dāng)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(shí)驗(yàn)的要求，并且選擇2A的電解電流時(shí)，電解氣當(dāng)中的氧含量高達(dá)99.9%，從而可以得出，如果電解電流低于6A時(shí)，電解槽不會(huì)出現(xiàn)水的電解。

4.水電解的機(jī)理和KOH溶液的濃度與電流（A）的關(guān)系

關(guān)于電解的機(jī)理，即需要對(duì)電解槽的陰陽兩極反應(yīng)進(jìn)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(huì)發(fā)生水的電解，那么對(duì)電解槽中陰陽兩極到底會(huì)發(fā)生什么樣的反應(yīng)呢？這就需要我們進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，從中得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更深層的分析和研究。

在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，根據(jù)數(shù)據(jù)我們可以得出當(dāng)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(huì)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(duì)傳統(tǒng)的電解制氧儀做出改進(jìn)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(duì)電解池的串聯(lián)、并聯(lián)和不同的電解液進(jìn)行分析和比較研究。從研究實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果表面，選擇并聯(lián)連接電解池時(shí)產(chǎn)生每個(gè)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(shí)。主要就是并聯(lián)連接時(shí)能夠使得電能耗費(fèi)較小，還擁有另外一個(gè)顯著的優(yōu)勢，就是當(dāng)其中有的電解池不能工作時(shí)，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(gè)電解池不能使用時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電解槽停止工作。

結(jié)語

從當(dāng)前電化學(xué)制氧實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)間長。將當(dāng)前的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，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(yuǎn)的發(fā)展前景。