以空氣為原料的電化學提取氧研究

（濟寧市兗州區顏店鎮中心中學 山東濟寧 272100）

一、我國當前的制氧狀況

在工業上基本會選擇空氣深冷分離和變壓吸附分離的方式，但是這樣大規模的方法無法適用于醫院或者家庭。傳統的方式是把氧氣存儲在氣袋或者鋼瓶當中，但是如果里面的氧氣用完了，則需要立即進行更換，這樣的方式對于患者使用是十分不方便的。

在家中進行定期吸氧是最方便的地點，那么選擇最適合的方法是至關重要的。可以選擇較為方便的電化學制氧法，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制氧方式。[1]

二、水電解制氧研究實驗準備

1.配置和標定KOH和NaOH溶液

該試驗選擇了KOH溶液作為電解液，并且選擇NaOH溶液進行比較實驗。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溶液進行標定，分別將其分為不同濃度的堿液。[2]

2.測定KOH溶液的電導率

使用DDS-11型電導儀對不同溫度下不同濃度KOH溶液的電導率進行測量，通過多次實驗得出最大電導率時KOH溶液的濃度。

3.氣相色譜的標定

在研究的實驗中，選擇102G型氣相色譜儀對電解時產生的氧氣純度進行測定，判斷其中是否會有過的氫氣產生。測量前應該選擇純氧和其對色譜柱進行相應的標注。

三、水電解制氧實驗的研究

1.實驗裝置

電化學制氧實驗裝置由三個部分組合而成：第一個部分為直流穩壓的電源，擁有電壓和電流的顯示儀，可以使用相應的測量儀對其進行相關的標記。第二個部分則為電解槽，分別由四個串聯的單元電解池組成。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。第三個部分則為集氣槽，該實驗選擇使用排水法對氧氣進行收集，讓氧氣溫度和壓力與周圍環境溫度和壓力相一致，讓氧氣量可以得到更好的測量和計算。

2.實驗過程

把不同濃度800ml的KOH溶液放置入電解槽之中，將電化學制氧實驗裝置連接起來，開啟電源，將穩壓電源調節好。當電流達到標準的數值時，放掉部分的氣體，這部分排出的氣體是電解槽內的氣體而不是氧氣。當裝置開啟2分支之后開始收集氧氣，這個過程之中需要讓電解電流保持不變。

四、水電解制氧實驗研究獲得相關數據、研究以及處理分析

1.電量（Q）和出氧量（s）的關系

如果空氣內的氧氣在陰極中得到電子，將會以離子的形式進入電解液，從而在電場作用下抵達陽極，同時放出電子，使氧離子還原為單質氧。即當產生1mol的氧氣時需要的電子物質的量（s），為Q=nsF。

2.單位質量氧氣耗能（W）和電流（A）的關系

每電解出1kg氧氣時，大概需要1.56到1.86kW·h之間，并且將會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，能夠提高電解槽的制氧能力，但是也會因此導致制氧所需的耗能不斷增加。KOH濃度的增加，將增加溶液的電導率，使電阻下降，從而制氧所需的能耗也會得到相應的下降。

從實驗研究中可以得出，當產生1kg氧氣時的能量和s、U形成正比關系，電流的大小是通過調節電壓的大小而決定的，電流大所以需要大量的電壓，但是卻不呈現正相關的關系。增加電壓導致大量能量的消耗，并不能將其全部用來制造氧氣，其中一部分都會轉為熱量促使溶液可以持續發熱。[3]

3.氧含量和電流（A）大小的關系

將標記好的氣相色譜對不同電流下電解氣中氧氣含量進行測量，從而得出電解槽中是否發生了水的見解的情況。在電解氣色譜圖當中，我們可以得出兩個峰值，從時間之中可以得出這兩個峰值屬于氧氣和氫氣。即使電解氣當中的氧含量隨著電流的增加而出現減少的狀況，但是其出現的最小值都滿足實驗的要求，并且選擇2A的電解電流時，電解氣當中的氧含量高達99.9%，從而可以得出，如果電解電流低于6A時，電解槽不會出現水的電解。

4.水電解的機理和KOH溶液的濃度與電流（A）的關系

關于電解的機理，即需要對電解槽的陰陽兩極反應進行相應的確定。從氧含量和電流大小關系的分析中可以得出，電解槽幾乎不會發生水的電解，那么對電解槽中陰陽兩極到底會發生什么樣的反應呢？這就需要我們進行相關的實驗研究，從中得出相應的數據進行更深層的分析和研究。

在實驗當中，根據數據我們可以得出當產生1mol氧氣所需要的電子的量（s）和電流（A）的關系圖。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，陰極和陽極都會出現兩種反應。那么就可以得出1mol氧氣的產生需要2mol電子或者4mol電子。

5.電解池串并聯以及不同電解液的分析比較

對傳統的電解制氧儀做出改進和完善，有助于讓工業生產得到有效的數據。我們對電解池的串聯、并聯和不同的電解液進行分析和比較研究。從研究實驗得出的結果表面，選擇并聯連接電解池時產生每個單位質量的氧氣所需要的電能較少于串聯連接電解池時。主要就是并聯連接時能夠使得電能耗費較小，還擁有另外一個顯著的優勢，就是當其中有的電解池不能工作時，電解槽依舊可以的維持整體的工作——產生氧氣。然而如果選擇串聯電解池，有一個電解池不能使用時，將會導致整個電解槽停止工作。

結語

從當前電化學制氧實驗研究的理論分析和結果中，可以得出新型的以空氣為原料的電化學制氧系統在電解電壓方面需求較少，耗氧量較少，該系統擁有較好的安全性，壽命時間長。將當前的系統進行優化改進，可以將系統的體積縮小，采用壽命長的電池代替使用，可以擁有更長遠的發展前景。