CN1079443A

CN1079443A - 高纯氮气发生器

Info

Publication number: CN1079443A
Application number: CN92103835.6A
Authority: CN
Inventors: 李东; 梁玉岩; 张长春; 刘桂芬; 李艳云
Original assignee: ZHONGYA GAS INSTRUMENT RESEARCH INST CHAOYANG DISTRICT BEIJING
Current assignee: ZHONGYA GAS INSTRUMENT RESEARCH INST CHAOYANG DISTRICT BEIJING
Priority date: 1992-05-30
Filing date: 1992-05-30
Publication date: 1993-12-15

Abstract

本发明涉及一种提供高纯氮气的电解装置。该装置适用于为气相色谱仪配套，提供其所需载气，还能为其它分析仪器和实验室所需小量高纯氮气提供方便的氮气气源。

该高纯氮气发生器，它主要是在电解流程中采用单液室电解分离池装置，电解分离池的阴极膜是经严格工艺配方混炼制成的，并且其液路阳极端为常压，气路阴极端电解时为无液状态。这种发生器的氮气纯度高，输出压力、流量稳定，设备成本低，体积小便于携带，是一种安全可靠的高纯度氮气发生器。

Description

本发明涉及一种提供高纯氮气的电解装置。属于为气相色谱仪配套使用的又一新的气源发生装置。

目前，为气相色谱仪配套使用的普氮和高纯氮气源都是采用高压氮气钢瓶，至今，尚未发现能够取代钢瓶而提供高纯氮气的装置。现制氮的方法趋于两种方式：一种是采用氨的分解制氮：一种是采用洁净的空气分级逐步净化制氮。采用这两种方法来制氮的设备均为1M³-几百M³/hr的大型制氮设备。

我国从国外引进的气相色谱仪只是随机配备有钯制氢和离子膜制氢的超纯氢发生器和普通氢气发生器的气源装置，迄今还未发现与气相色谱仪配套使用的高纯氮气发生器的气源装置。例如，美国威尔林托·米斯公司和日本岛津公司。

本发明的目的就是为了克服使用钢瓶所带来的不便，以及使用大型设备成本高无法被大多数用户所采用等缺陷，提供一种采用新型电解方法产生微量高纯氮气以供气相色谱仪使用的新型高纯氮气发生器，该发生器具有设备小而轻氮气纯度高、安全可靠和成本低等特点。

本发明是采用电解方法，即根据电化学反应原理，依据法拉第定律来实现的：

当电流通过电介质溶液时，溶解和析出的物质量与通过的电量成正比。因之，在一定的时间内多少氧气溶解、电迁、析出就有多少相应的电量通过电解分离池消耗。其总电流值即为氧的分离总量。电解分离池末电流的多少反映了相应的残氧量的多少。

下面举一例：

根据法拉第定律，当外路向阴极流入1摩尔电子（6.023×10²⁶），记作N₀，且每个电子电量为1.602×10^-19库仑，记作e₀，则此时流入阴极的总量为：N₀e₀＝6.023×10²³×1.602×10^-19＝96500库仑。

阴极还原反应：M²⁺+2e^-＝M

每个M²⁺离子需要消耗两个电子（即2e₀库仑电量）才产生一个M原子的产物。

N₀e₀/2e₀＝N₀/2 即摩尔离子/电子数＝克当量

由电化学反应式可见氧的电化学过程是4电子反应，故氧的电化学当量为1/4M（摩尔）。

每安培发生氧量为：

1/4·22.4×10³/（96500/60）＝3.47≈3.5ml/安分

有多少电流通过电解分离池即有多少氧被分离。空气中氧约占1/5体积（约20%）当发生量为150毫升/分氮气时所需空气量为：

150/（1-1/5）＝187.5≈188毫升/分

分离氧量：188×1/5＝37.6毫升/分

分离氧需要的电流为37.6/3.5＝10.74≈10.8A（安培）

当发生量为200毫升/分氧气时所需空气量为：

200/1-1/5＝250毫升/分

分离氧量：250×1/5＝50毫升/分

分离氧所需要的电流约50/3.5＝14.28≈14.3A（安培）

本发明就是采用上述原理设计出的一种高纯氮气发生器，它主要包括：无油空气泵（3），电流稳流装置（1），电解分离池（6），电解溶液容器（7），以及氮气提纯装置（49）。

具体实现时，无油空气泵（3）低压端提供有空气收集器（2），根据需要还可以无油空气泵（3）和电解分离池（6）之间提供空气净化室（4）和空气调节阀（5）。氮气提纯装置（49）可包括极化室（13）、干燥室（14）、催化室（15）。其中极化室（13）是由极化室体（32）、端盖（33）、石棉布绝缘垫（38，39）、极化管（37）内填充白金丝和接头（35）构成;其中干燥室中填充各种有效的干燥剂;其中催化室（15）包括如不锈钢制成的催化室体（44）、端盖（43）、绝缘垫（47）以及室体中填充高效气体净化剂（45）。在电解分离池（6）的氮气出口和氮气提纯装置（49）之间还可设置气水分离室（8）、气液阀（9）、氮气净化室（10）、输出稳压调节阀（11）和输出流量调节阀（12）。

再有，高纯氮气发生器中的电解池是制氮气的关键部件，它包括：阳极端盖（16），密封圈（27），电解框（17），隔膜密封垫（21），阳极板（18），阳极不锈钢垫网（22），阳极镍丝网（23），特级石棉膜（24），阴极膜（25），阴极板镍丝网（26），阴极板（19），阴极端盖（20），以及将上述各部件固定在一起的固定螺栓（48）。其是电解框（17）是由苯乙烯、丙烯睛共聚物、AS丙苯树脂制成的，在框状物的两侧面的边沿开有密封槽线，中间有凹凸槽，为液路通道，外围开有四个孔，一对为液路通孔，一对为气路通孔。

对于阳极膜（25）是由三部分组成，第一部分为活性层，第二部分为集流层，第三部分为防水层，阳极膜是由这三部分经挤压而制成。所述的活性层是由催化剂均匀地分散在担体活性炭上再加上PTFE调合混炼制成;所述集流层是采用Ni网（60-80目）真空烧氢处理后使用，所述防水层是采用乙炔黑加PTFE混炼制成。

由上述组成的高纯氮气发生器所得到的氮气，其纯度可达五个9以上，是一种纯度很高的气源。具有广泛的应用前景。

下面结合附图对本发明进行详细的解释和说明，并与实施例相结合。

图1是本发明的高纯氮气发生器的流程图;

图2是电解分离池的具体结构示意图;

图3是电解分离池中电解框的结构示意图;

图4是电解分离池中一组单液室的电解室结构图;

图5是电解分离池中隔膜密封圈的结构图;

图6是电解分离池中阴极板、阳极板结构图;

图7是电解分离池中阴极端盖和阳极端盖的结构图;

图8是电解分离池中阴极膜所发生电极化过程的原理图;

图9是氮气提纯装置中极化室的结构示意图;

图10是氮气提纯装置中催化室的结构示意图;

图11是本发明的高纯氮气发生器一个实施图构形结构图;

参照图1，无粉末无严重污染的环境空气在双泵头、双气路，输出压力在0-0.6帕，输出流量在0-5升/分的无油空气泵低压端的作用下，经空气收集器（2）和填充尼龙纤维的空气净化室（4），由空气调节阀（5）将空气输入电解分离池（6）。同时，电流稳压装置（1）输给电解分离池（6）电压为2.5伏的直流电。装有含23%K₂CO₃（碳酸钾）电解液的电解液容器（7）中的电解溶液路进入电解分离池（6），在电流的作用下在电解分离池（6）中进行氧的脱除。氧首先在气室中扩散到阴极上，经过物理化学吸附、溶解的同时进行电化学反应，在阴极获得电子与水作用生成氢氧根负离子，再经过精选的特级石棉纤维并经严格工艺制作而成的有吸附电介质能力的石棉隔膜作载体电迁移到阳极，最后在阳极丢失电子析出氧气。这样氧气由气路阴极端不断地被分离到液路阳极端。氧气推动电解溶液经液路阳极端液出口液管返回电解溶液容器（7），氧气由该容器的上端注液口处排出进入大气层。电解溶液在液差压力的作用下，又通过软管道进入电解分离池（6），电解溶液在电解分离池（6）和电解溶液容（7）中形成循环。在电解分离池（6）的气路阳极，空气中的氧又不断地被分离出去，剩下的只是氮气。

在电解分离池（6）的气路阴极端产生的氮气形成一定的氮气压力，使气路阴极端在无液状态下工作。产生的氮气通过管道从电解分离池（6）的气路阴极端输出口进入气水分离室（8），使之分离氮气中极微量的水分（雾状）。在该室的下部接一气液阀（9）以排出积液。氮气从气水分离室（8）的上部经管道进入填充尼龙纤维的氮气净化室（10）进行初步净化，净化后的氮气经管道送入无油空气泵（3）的高压端以提升氮气压力。经提升高压后的氮气经管道进入输出稳压调节阀（11）以输出一稳定的压力;经管道进入输出流量调节阀（12）以输出一定量的稳定的氮气流量。之后经管道接入用特殊工艺制造的极化室（13）内，其内填充白金丝，并在一定电流的作用下进行微量氧的脱除，以提高氮气的纯度。然后氮气再经管道进入干燥室（14），其内填充变色硅胶，用以使氮气进一步净化干燥。最后氮气再进入催化室（15），其内填充新型高效气体净化剂，使氮气中的PPM级的微量H₂与O₂脱除，以而使最后得到的氮气纯度可达五个九以上，以便于气相色谱仪或其它分析仪器的使用。

电解分离池是本发明的关键装置，因此，本发明对其进行了严格的工艺设计。参见图2，它示出了电解分离池（6），其中两端为阳极端盖（16）和阴极端盖（20）。在两端盖间，有六个电解框（17），和五组阳极板（18），隔膜密封圈（21），阴极板（19）构成的单液室电解室的电极化分离层。在电解框（17）的两侧，都放有用丁睛橡胶制成的密封圈（27）。在阳极端盖（16）上焊接有氧气、电解液出口接头（28），电解液入口接头（29），氮气输出接头（30，31），它们分别与电解液容器（7）和气水分离室（8）（见图1）相连接。在阴极端盖上，焊接有空气入口接头（32）。

在图3中示出了电解分离池中电解框的结构，电解框（17）它是由苯乙烯、丙烯睛共聚物AS丙苯树脂制成。在框的两侧的边沿开有密封槽线，中间有凹凸槽为液路通道。A向剖面的上下两孔为液路通孔，B向剖面与其成60°角的两通孔为气路通孔，在B向剖面C向槽线上，放置有密封圈（27）。依图可见，电解分离池气路通孔和液路通孔的构造是不同的，各单液室的气路是串联的，液路是并联的。

图4中示出了隔膜密封圈（21），它是放置在图6A、B所示的不锈钢板制作的阳极板（18）和阴极板（19）中间。在隔膜密封圈（21）中间放置不锈钢垫网（15目1毫米厚）（22），阳极镍丝网（23）（80目），特级石棉纤维隔膜（24），在它的特定作用下，在电解分离池（6）中，使输入空气和输出氮气形成两个气室，这种石棉隔膜的特点是只透氢、氮气，不透氧气，还有阴极膜（25），阴极镍丝网（26）。由隔膜密封圈（21）和放置其中的膜网，与电解框（17），密封圈（27）形成一组完整的单液室的电解室。由五组这样的单液室依次叠压在一起，在最后一组电解室的电解框（17）的密封槽线与阴极端盖的凹部中间再放置一只密封圈（27）（见图2），用6个M6螺栓将五组单液室和两端盖（11，20）固定成一体从而形成如图2所示的电解分离池（6），其中螺栓受力变均匀，以保证电解分离池（6）的导电性和液气路的流通性。

在图5中示出了电解分离池（6）中密封圈结构。该密封圈（27）是用丁睛橡胶制成的。上、下一对单圈，用于液路通孔的密封，左、右一对双圈，用于气路通孔的密封。其中间2/5处设有分割输入空气及电解分离后的输出氮气的密封隔线。

图6A示出了阳极板（18），图6B示出了阴极板（19），它们分别在与电解框（17）凹槽的位置上冲有规则的孔作为液、气路通道，其中阳极板为29个小孔，阴极板为6个小孔，从而保证了液、气路流通和具有良好的散热能力。阳极板（18）、阴极板（19），均为不锈钢板制成。对应位置的六个大孔为固定螺栓安装孔，供连接加固使用。

图7A示出了阳极端盖（16），图7B是阴极端盖（20）。两端板B向剖面图显示了接头与端盖的连接方式，同时也显示了两个端盖中间为一个圆形凹部的结构形态。对应位置上的六个孔为固定螺栓安装孔，供连接加固使用。

本发明的关键装置是电解分离池，而阴极膜（25）又是电解分离池中的关键材料。图8示出了在阴极膜上所发生的电极化过程。阴极膜是由三个部分：防水层、集流层、活性层挤压在一起。极化反应主要发生在阴极膜上。依图8所示，理想的空气（假定为4N₂+O₂），由进气口（51）进入气路端，透过阴极板（52）、防水层（53），到达集流层（54）和活性层（55），由于集流层（54）是镍网（60-80目）经真空烧氢处理制成的，集聚着大量的自由电子，而活性层（55）是由催化剂均匀分散在担体活性炭，经PTFE调合混炼制成的，有极强的催化作用，所以，空气中的氧气迅速发生电解，即：O₂+2H₂O+4e^-40H^-生成氢氧根负离子，氢氧根负离子在电场作用下，穿过特级石棉纤维隔膜层（56），达到阳极板获得电子，即：40H-4e^-2H₂O+O₂↑还原出氧气。在液路端（58）由于氧压的作用下，氧气随电解液返回到电解容器（59），而含23%K₂CO₃（碳酸钾）的电解溶液（60）在液面压差的作用下，不断补充进入液路端（58），形成液路回路。由于防水层（53）是由乙炔黑加PTFE调合混炼制成的，只透气不透水，所以电解液只能到达防水层（53）而不能进入气路端。由于特级石棉纤维隔膜只有透氢气氧气，不透氮气的特异性，所以氮气只能达到活性层（55），不能进入液路端。因此，本发明经过五组这样的电极化过程，最后一组的出气口（61），将源源不断地排出高纯氮气。

图9和图10中示出的极化室（13）和催化室（15）是氮气发生装置中重要的提纯装置，它使所含的PPM级的H₂、O₂脱除，而使氮气纯度提高。图9示出了极化室（13），它是由端盖（33）、室体（32）、石棉布绝缘垫（38，39）、瓷垫（40）、极化管（37），接头（35）前压帽（34），后压帽（36），衬垫（41），密封垫（42）构成，其中极化室（13）将两根Φ2白金丝以Φ10外径螺旋绕制并装入外径Φ2×0.5长度1米的不锈钢管道内，然后将室体（32）填充石棉布绝缘垫（38，39）与室体（32）绝缘，将极化管（37）放其中间，室体两端用两只装有瓷垫（40）石棉布绝缘垫（39）的端盖（33）进行装配，并同时将极化管（37）两端引出管上穿在两端盖瓷垫（40）中心孔内，将其锁紧，在两端引出管上装上接头（35），密封垫（42），衬垫（41），用压帽（36）紧固，形成一完整极化室。

图10是催化室（15），它包括：端盖（43），室体（44）丁硅橡胶制成的密封垫（47），尼龙棉（46），室体内部填充高效气体净化剂（45）。其中催化室（15）是先将密封垫（47）放在端盖（43）内拧在室体（44）一端，然后将一小团尼龙棉（46）装进室体内推至在已紧固的一端，然后将10克左右高效气体净化剂（45）填充在室体（44）内，再将一小团尼龙棉（46）推进室体（44）内，将另一只密封垫（47）放置在另一端盖（43）内，紧固室体（44），构成一完整催化室（15），其中使用尼龙棉（46）的目的是防止高效气体净化剂（45）通气后而带出，造成阻塞。

图11是本发明高纯氮气了生器的一种构形结构图。依图11所示，在气路部分中，空气由BMB-Z型无油薄膜双泵头双气路无油空气泵（62）的空气出口（又称空气泵的低压端）（63），送入氮气发生器的空气入口（83），经空气净化室（82），进入电解分离池（85）。进入电解分离池的空气压力，可由空气压力表（19）显示，其空气进入量可通过空气调节阀（80）调节。经电解分离池分离出的氮气，由该池氮气出口（87，88）进入气分离室（92），其中微量水积液，由积液出口（90）排出，其中氮气进入氮气净化室（81）脱去各种杂质，然后由低压氮气出口（78）送入空气泵（62）中的氮气入口（65）。经空气泵升压后，氮气压力由原来的0.02-0.08兆帕，升至0.5-0.6兆帕，再由空气泵氮气的氮气出口（64），送回氮气发生器的升压后的氮气入口（77），经极化室（72）脱微量氢气、氧气后，到稳压调节阀（73）进行稳压稳流和气压调节。调节前的氮气气压可由电解气压表（76）显示出来，调节后的氮气压力可由

＊。

Claims

1、一种高纯氮气发生器，其特征在于，它包括，无油空气泵(3)，电解分离池(6)，作用于电解分离池(6)上的电流稳流装置(1)和电解溶液容器(7)，以及氮气提纯装置(49)。将以上各部分用管道串接，形成氮气发生器。

2、如权利要求1所述氮气发生器，其特征在于：它还可包括：空气净化室（4）和空气调节阀（5），其设置在无油气泵（3）和电解分离池（6）之间，在电解分离池（6）的氮气出口和氮气提纯装置（49）之间，还可设置气水分离室（8），气液阀（9），氮气净化室（10），输出稳压调节阀（11）和输出流量调节阀（12）。

3、如权利要求1所述氮气发生器，其特征在于，氮气提纯装置（49）可包括极化室（13）、干燥室（14）、液化室（15）。

4、如权利要求3所述氮气发生器，其特征在于，极化室（13）是由极化室体（32），端盖（33），石棉布绝缘垫（38、39），填充有白金丝的极化室（37）和接头（35）构成，催化室（15）是由催化室体（44）、端盖（43）、绝缘垫（47）以及室体内填充的高效气体净化剂（45）构成。

5、如权利要求1-4中任一种氮气发生器，其特征在于，其中电解分离池（6）包括：阴板端盖（16），密封圈（27），电解框（17），隔膜密封垫（21），阴极板（18），阳板不锈钢垫网（22），阳极镍丝网（23），特级石棉隔膜（24），阴极膜（25），阴极镍丝网（26），阴极板（19），阴极端盖（20），以及固定螺栓（48）。

6、如权利要求5所述氮气发生器，其特征在于，所述阴极膜（25）是三部分组成，第一部分为活化层，它是由催化剂均匀地分散在担体活性炭上再加上PTFE调合混炼制成，第二部分如集流层，它是采用Ni网真空烧氢处理制得，第三部分为防水层，它是采用乙炔黑加PTFE混炼制成，三部分经挤压得到阴极膜（25）。

7、如权利要求5所述氮气发生器，其特征在于：电解框（17）是由苯乙烯、丙烯睛共聚物，AS丙苯树脂制成，在框状物的两侧面的边沿开有密封槽线，中间还有凹凸槽，为液路通道，凹凸槽之外，有四个通孔，有一对液路通孔，和一对气路通孔。