一种低能耗连续分离Mg-H2O电池电解液的方法

一种低能耗连续分离mg-h2o电池电解液的方法
技术领域
1.本发明涉及电解液技术领域，具体为一种低能耗连续分离mg-h2o电池电解液的方法。


背景技术：

2.船舶航运作为一种重要的运输方式，大量化石燃料的燃烧造成大量废气及含油污水的排放。随着各国节能减排政策的推进，开发新型绿色的船舶动力装置迫在眉睫。近年来，研究者提出了系列金属-水电池，如锂-水、铝
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水、锌-水等，该系列电池中阳极为活性金属，在碱性电解液中阳极失去电子，电子穿过外电路，驱动阴极发生her电催化反应制取氢气。该电池系统是一种既能产氢又能发电的氢电一体化装置，具有成本低廉、环境友好、实用性强等优势。
3.在众多金属-水制氢系统中，锂-水电池需要用到有机电解液和昂贵的锂离子导体(lisicon)膜，且锂资源短缺，限制了它的发展；锌-水电池电压较低，为提升工作电压，wen等人提出双电解液方法，析氧反应在碱性溶液中发生，析氢反应在酸性条件下发生，中间用双极膜隔开，在1.12v的电压下可提供10ma cm-2
的电流密度，但双极膜的引入额外增加了电池的成本。相比之下，金属镁具有电极电位高、来源丰富且价格低廉等优点，已经被成功用于镁溶解氧海水电池。镁-水电池特征在于以金属镁或镁合金作为阳极，析氢电催化剂为阴极，水溶液为电解液，该电池电极和总反应方程式如下：
4.阳极反应：mg 2oh-→
mg(oh)2 2e-5.阴极反应：2h2o 2e-→
h2 2oh-6.总反应：mg 2h2o
→
mg(oh)2 h27.在电池充放电过程中，电解液中不断有絮状mg(oh)2产生，mg(oh)2逐渐堆积，造成电池内阻急剧增大，电池的热效应增强，严重影响电池系统的稳定性和制氢、发电性能。另外，电解液中的mg(oh)2若不及时移除，也无法实现mg-h2o电池的连续化运行。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种低能耗连续分离mg-h2o电池电解液的方法，能够实现mg-h2o电池的连续运行和电解液的循环利用。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低能耗连续分离mg-h2o 电池电解液的方法，包括：mg-h2o电池装置、泵、膜分离单元和电解液箱，其步骤为：
10.步骤1：在mg-h2o电池装置下部设电解液出口阀，打开电解液出口阀将含 mg(oh)2悬浮物的电解液排出至下部的贮槽中；
11.步骤2：通过泵的作用将贮槽中含mg(oh)2悬浮物的电解液输送至膜分离单元，实现mg(oh)2沉淀的分离，重新获得干净的电解质溶液，并将其输送至电解液箱，与其内部的新鲜电解液混合；
12.步骤3：电解液箱中的电解质溶液，在泵的作用下注入mg-h2o电池装置，实现电解
液的循环利用。
13.优选的，在所述mg-h2o电池装置中含mg(oh)2电解液的排出和纯净电解液的注入连续式进行，排出量通过电解液出口阀开度进行调控，注入量通过转子流量计控制，保证电池装置中电解液液面高度恒定，始终高出极板15～20 mm，以维持mg-h2o电池的平衡稳定性。
14.优选的，其中，所述电解液出口阀可为蝶阀、球阀和直通式调节阀中的一种。
15.优选的，所述电解液出口阀中进一步优选为蝶阀，蝶阀开度优选为 40％～60％。
16.优选的，所述膜分离单元和过滤膜优选为聚丙烯膜、醋酸纤维素膜、聚醚砜滤膜、聚四氟乙烯膜或陶瓷膜。
17.优选的，所述膜分离单元的过滤膜孔径优选为20nm～5μm。
18.优选的，所述膜分离单元的过滤膜孔径进一步优选为200nm。
19.优选的，所述膜分离单元的过滤膜跨膜压差优选为0.2～1bar。
20.优选的，还可适用于zn-h2o和al-h2o易生成沉淀副产物电解液的分离和循环利用。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
22.1、本发明可及时将电解液中形成的mg(oh)2悬浮物移出，有效避免电池内阻增大，有效控制电池装置的热效应，有效提高镁-水电池的功率输出和发电产氢量。
23.2、本发明可实现mg(oh)2与电解液的分离，实现电解液的循环再利用。
附图说明
24.图1是本发明的mg-h2o电池电解液净化和循环再利用系统图；
25.图2是本发明的mg-h2o电池的性能图的开路电压；
26.图3是本发明的mg-h2o电池的性能图的不同电流密度下的恒电流放电曲线；
27.图4是本发明的mg-h2o电池的性能图的在电流密度10ma cm-2
下的长周期放电性能；
28.图5是本发明的mg-h2o电池电解液中mg(oh)2粒径分布图；
29.图6是本发明的mg-h2o电池电解液中mg(oh)2膜分离前后效果图；
30.图7是本发明的电解液回收方法用于zn-h2o电池膜分离前后效果图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.请参阅图1至图7，本发明提供5种技术方案：一种低能耗连续分离mg-h2o 电池电解液的方法。
33.实施例1
34.如图1所示，一种低能耗连续分离mg-h2o电池电解液的方法，在mg-h2o 电池装置下部设电解液出口阀，打开电解液出口阀将含mg(oh)2悬浮物的电解液排出至下部贮槽中，为维持电池系统的电解液供应，同时开启循环泵将电解液箱中的纯净电解液注入，上部电解液注入所形成的冲刷和扰动作用一方面可以避免生成的mg(oh)2覆盖电极表面，阻碍进
一步的电化学反应，另一方面也有助于mg(oh)2的排出。
35.将贮槽中含mg(oh)2悬浮物的电解液，通过泵的吸力引入膜分离单元，实现mg(oh)2沉淀分离，重新获得纯净的电解质溶液，并将其输送至电解液箱，实现电解液的循环利用。
36.所述mg-h2o电池装置，含mg(oh)2悬浮物电解液的排出和新鲜电解液的注入连续式进行，排出量通过电解液出口阀开度进行调控，注入量通过转子流量计控制，保证电池装置中电解液液面高度恒定，始终高出极板15～20mm，以维持mg-h2o电池的平衡稳定性。
37.所述电解液出口阀，优选蝶阀、球阀、直通式调节阀，进一步优选为蝶阀，蝶阀开度优选为40％～60％。
38.所述膜分离单元，过滤膜优选为聚丙烯膜、醋酸纤维素膜、聚醚砜滤膜、聚四氟乙烯膜、陶瓷膜。
39.所述膜分离单元，过滤膜优选孔径为20nm～5μm，进一步优选为200nm；
40.所述膜分离单元，过滤膜跨膜压差优选为0.2-1bar。
41.所述一种低能耗连续分离mg-h2o电池电解液的方法，可适用于zn-h2o、 al-h2o等其他会生成沉淀副产物电解液的分离和循环利用。
42.实施例2
43.一种低能耗连续分离mg-h2o电池电解液的方法，以商业pt/c催化剂为阴极，镁合金板az31b为阳极，1m nacl为电解液，组装成mg-h2o电池进行电化学性能测试。开路电压测试，如图2所示，电池开路电压为1.07v。
44.实施例3
45.一种低能耗连续分离mg-h2o电池电解液的方法，以商业pt/c催化剂为阴极，镁合金板az31b为阳极，1m nacl为电解液，组装成mg-h2o电池进行电化学性能测试。进行不同电流密度下的恒电流充放电测试，如图3所示。随着电流密度增大，电池的工作电压降低，最高输出功率为9.72mw/cm2。
46.实施例4
47.一种低能耗连续分离mg-h2o电池电解液的方法，以商业pt/c催化剂为阴极，镁合金板az31b为阳极，1m nacl为电解液，组装成mg-h2o电池进行电化学性能测试。在测试过程中发现金属mg不断被消耗，产生大量mg(oh)2悬浮物，悬浮物粒径如图5所示，电解质溶液逐渐由澄清转变为乳白色，如图6所示。将反应后得到的乳白色电解质溶液透过膜分离单元，又可以获得澄清的电解液，可进一步用于mg-h2o电池系统。
48.实施例5
49.一种低能耗连续分离mg-h2o电池电解液的方法同样适用于zn-h2o电池，以商业pt/c催化剂为阴极，高纯锌片为阳极，1m nacl为电解液，组装成 zn-h2o电池进行电化学性能测试，在2ma cm-2
电流密度下工作电压约为0.15 v。在测试过程中发现金属zn不断被消耗，产生大量白色絮状沉淀，如图7 所示。将反应后的电解质溶液透过膜分离单元，又可以获得澄清的电解液，可进一步用于zn-h2o电池系统。
50.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。