一种电化学脱除混合气中氧气的方法技术

本发明专利技术提供了一种电化学脱除混合气中氧气的方法，该方法包括以下步骤：1）在常压下，向电化学装置的阴极通入含氧混合气，阳极通入阳极原料；电化学装置为含有高温质子交换膜的电化学装置，所述阳极原料为可发生氧化反应并能提供氢离子的物质；2）对电化学装置进行控温加热，加热的温度为100

【技术实现步骤摘要】
一种电化学脱除混合气中氧气的方法


[0001]本专利技术属于脱氧
，尤其涉及一种电化学脱除混合气中氧气的方法。

技术介绍

[0002]氧气是人类、动植物生存和生长不可缺少的物质，但在许多场合，它的存在又会带来一系列问题，如在氧气氛围中，不利于蔬菜和水果保鲜、中药材的贮存；氧会使一些聚合催化剂中毒；氧的存在会使某些气体易燃易爆，给生产运输造成很大的安全隐患等。此外，随着科学技术和工业生产的高速发展，人类对产品质量也提出了更高要求。如浮法玻璃工业、彩电和电子工业生产线的气体净化系统、工业电解氢中脱除氧及空分氮气中脱除氧气，发生炉煤气脱氧制“富化气”、作为特种钢生产和加工的保护气、热处理用气脱氧以及科研所需高纯气体等，均对原料气中的氧含量提出了很高的要求。由于脱氧技术的广泛应用，脱氧的研究日益受到重视。
[0003]目前现有的脱氧方法主要有两种：（1）物理方法。常见的吸附法除氧是利用多孔物质对氧气的吸附作用除去微量的氧，吸附材料有硅胶、改性沸石分子筛和非极性碳分子筛等，吸附剂吸附能力主要与吸附剂类型、被吸附物质的特性、操作压力与强度等有关。典型的如变压吸附法（PSA）脱氧，但其工程大，变压耗能高。
[0004]（2）化学方法。Ⅰ）催化脱氧，多采用Pt、Pd、Ru等贵金属作为活性组分使气体中的O2与H2、CO和甲醇等具有还原性能的组分反应脱除，但其采用的催化剂价格昂贵且活化再生困难。Ⅱ）化学吸收脱氧，通过对氧具有中等强度的化学吸附使氧与金属单质或低价氧化物反应生成高价氧化物来完成，但其再生耗能大。Ⅲ）燃烧法脱氧，通常直接燃烧或催化燃烧，但其耗材耗能大且产物会引入新杂质气体。
[0005]综上，现有的物理和化学脱氧方法受到了一定的限制，例如活性组分寿命短且难以再生、耗材耗能大和引入新杂质等，故我们开发出一种更为清洁高效且可大批量生产的电化学脱氧新技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种电化学脱除混合气中氧气的方法，该方法脱除混合气中氧气的操作简单、清洁高效、可行性程度高且重复性高，应用前景广。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种电化学脱除混合气中氧气的方法，包括以下步骤：1）在常压下，向电化学装置的阴极通入含氧混合气，阳极通入阳极原料；所述电化学装置为含有高温质子交换膜的电化学装置，所述阳极原料为可发生氧化反应并能提供氢离子的物质；2）对所述电化学装置进行控温加热，加热的温度为100
‑
200
°
C；然后施加电压，使
电化学装置的阴极发生氧还原反应，脱除含氧混合气中的氧气，阳极发生氧化反应。
[0008]本专利技术电化学脱除混合气中氧气的方法在常压下进行，采用电化学的方式进行电催化还原混合气中少量氧，利用电化学装置以实现阴极持续批量不同混合气脱氧，方法可持续性好，能够利用可再生能源在温和条件下进行高效脱氧。且本专利技术向电化学装置的阴极和阳极通气后，对电化学装置进行控温加热可使得质子交换膜导质子能力增强，且加热可促进反应动力学，促使所需电压减小，使得阴阳极两端的反应更容易发生。而控温加热在通气之后进行，可避免烧坏器件，且在反应阶段需一直加热。上述高温质子交换膜为在超过100
°
C的温度下运行，具有良好的稳定导质子能力的质子交换膜。
[0009]对于上述方法，优选的，所述含氧混合气为氮气、氩气、二氧化碳、稀有气体中的至少一种与氧气混合组成的气体，或空气、模拟烟道气中的一种。
[0010]优选的，所述步骤1）中，所述阴极中通入含氧混合气的含氧量（体积含量）为4
‑
25%；所述阳极原料一般为低电位易电氧化物质，具体可为包括氢气、H2O、抗败血酸、5
‑
羟甲基糠醛（HMF）中的任意一种。进一步优选的，阳极原料为氢气时，电压的范围控制在0.1
‑
0.4 V。在此电压范围内，可达到极限电流密度平台，并可较高程度上进行脱氧，过高的过电位可能发生阴极氢析出副反应而引入新杂质气体。
[0011]优选的，所述高温质子交换膜为PBI膜或PES
‑
PVP膜。其中PES
‑
PVP膜为由PES、PVP两种聚合物共混的质子交换膜。
[0012]优选的，所述步骤1）中，所述阴极中通入含氧混合气的流速为20
‑
150 sccm，所述阳极原料流速为100
‑
150 sccm。阳极流速要足够充分，使阳极端反应不会成为该电化学装置的控制端而影响阴极端的氧还原反应，以促进反应的动力学过程，使得所需电压减小，促进高脱氧率。
[0013]优选的，在步骤1）之前，向阴极通入纯Ar，阳极通入纯H2，采用两电极体系循环伏安法进行多次电极活化，设置扫描速率从大到小，循环电势范围在0.05 V和1.0 V之间，循环扫描50
‑
200圈。
[0014]优选的，本专利技术电化学装置可为电解池装置、原电池装置等，所述电化学装置为两电极体系。。
[0015]优选的，所述电化学装置包括膜电极以及依次设置在膜电极两侧的PTFE垫片、流场板、导电金属板、外壳侧板；电化学装置的阴极设置有阴极原料进料口和阴极产物出料口，电化学装置的阳极设置有阳极原料进料口和阳极产物出料口。
[0016]本专利技术采用膜电极可以增强电化学装置的导质子能力，即接触电阻极小，只有几十毫欧姆，且不需要液态电解液，不存在漏液等情况，使得装置更加轻便。设置流场板可使反应物与催化剂充分接触，停留时间更长，使得氧还原反应更加充分，故增大流场板的面积可以适当提高脱氧率。
[0017]本专利技术中的流场板为导电石墨流场板、导电合金流场板中的一种，也可为其他导电材料流场板，流场板的流场大小路线可调。进一步优选的，流场板的流场通道为蛇形流场通道。
[0018]优选的，所述膜电极由以下方法制备得到：（a）将阴极导电载体负载催化剂、粘结剂、溶剂混合超声，得阴极浆液；将阳极导电载体负载催化剂、粘结剂、溶剂混合超声，得阳极浆液；
（b）将所述阴极浆液超声喷涂在疏水碳纸上，得到待活化阴极扩散电极；将所述阳极浆液超声喷涂在另一疏水碳纸上，得到待活化阳极扩散电极；该疏水碳纸为预处理碳纸（气体扩散层），疏水碳纸两边疏水，一面含有碳粉，在碳粉侧喷涂催化剂，另一面用于通气；（c）将待活化阴极扩散电极、待活化阳极扩散电极置于Ar氛围中进行热活化，得到阴极扩散电极和阳极扩散电极；活化作用是碳化喷涂的粘结剂和去除催化剂中少量的杂质碳等；（d）将阴极扩散电极、质子交换膜、阳极扩散电极依次叠合后热压成膜电极（MEA），所述阴极扩散电极、阳极扩散电极上负载催化剂的一侧面向质子交换膜。
[0019]优选的，所述步骤（a）中，所述阴极导电载体负载催化剂中，阴极导电载体为导电碳材料，催化剂为对电化学氧还原反应有活性的催化剂，具体为过渡金属基催化剂、铂基催化剂中的至少一种；所述阳极导电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电化学脱除混合气中氧气的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）在常压下，向电化学装置的阴极通入含氧混合气，阳极通入阳极原料；所述电化学装置为含有高温质子交换膜的电化学装置，所述阳极原料为可发生氧化反应并能提供氢离子的物质；2）对所述电化学装置进行控温加热，加热的温度为100
‑
200
°
C；然后施加电压，使电化学装置的阴极发生氧还原反应，脱除含氧混合气中的氧气，阳极发生氧化反应。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氧混合气为氮气、氩气、二氧化碳、稀有气体中的至少一种与氧气混合组成的气体，或空气、模拟烟道气中的一种。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中，所述阴极中通入含氧混合气的含氧量为4
‑
25%；所述阳极原料包括氢气、H2O、抗败血酸、5
‑
羟甲基糠醛中的任意一种；所述阳极原料为氢气时，所述电压的范围控制在0.1
‑
0.4 V。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温质子交换膜为PBI膜或PES
‑
PVP膜。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中，所述阴极中通入含氧混合气的流速为20
‑
150 sccm，所述阳极原料的流速为100
‑
150 sccm。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤1）之前，向阴极通入纯Ar，阳极通入纯H2，采用两电极体系循环伏安法进行多次电极活化，设置扫描速率从大到小，循环电势范围在0.05 V和1.0 V之间，循环扫描50
‑
200圈。7.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的方法，其特征在于，所述电化学装置为两电极体系。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电化学装置包括膜电极（2）以及依次设置在膜电极（2...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍甲，宋德钟，刘友珍，陶李，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：