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氫氣發(fā)生器︱氫氣凈化方法探討

來源:畢克氣體儀器貿(mào)易(上海)有限公司   2022年05月24日 16:31  

氫氣發(fā)生器中會采用多種凈化技術(shù)來提高氫氣的純度,以滿足設(shè)備的用氣要求,例如,GC/MS應(yīng)用中,需要高純氫氣作為載氣;CVD應(yīng)用中,需要高純氫氣作反應(yīng)氣等。

一般發(fā)生器都是通過電解水生成氫氣,并結(jié)合各種凈化技術(shù)來,以產(chǎn)生高純度的氫氣。

接下來,我們一起來看看氣體發(fā)生器中氫氣的凈化都會用到哪些技術(shù)。


1.     PEM電解水/硅膠凈化技術(shù)

硅膠柱是一種常見的干燥凈化方法,硅膠柱內(nèi)填充作為干燥劑的硅膠珠,此方法簡單而普遍被采用。

經(jīng)PEM技術(shù)產(chǎn)生的氫氣流經(jīng)不銹鋼外殼的硅膠柱以去除水分,以生產(chǎn)高純度氫氣,滿足應(yīng)用的純度要求。

pem.jpg

1 PEM電解水生產(chǎn)氫氣/硅膠凈化流程

特點和優(yōu)勢

·             方便更換

·             符合一般GC 的純度要求

·             與其他凈化方式相比,成本更低

問題

·             凈化效果不理想,一些水分或氧氣殘留通常仍然存在

·             需要根據(jù)使用情況定期更換硅膠柱,對于使用頻率較高的客戶,可能需要每周更換硅膠柱


2. PEM電解水/鈀膜凈化

這是一種通過壓力的驅(qū)動,使氫氣在鈀膜中擴(kuò)散的凈化裝置。一般是由鈀和銀的的材料復(fù)合組成,當(dāng)加熱到300oC以上時,具有僅允許單原子氫通過其晶格的特性。

與鈀膜表面接觸的氫氣分子分解成單原子氫并通過鈀膜。然后在另一側(cè),單原子氫被重組成雙原子氫氣。

鈀凈化器可以有多種形式,包括管狀排列、卷曲螺旋或箔膜形式。

PEM2.jpg

2 PEM電解水生產(chǎn)氫氣/鈀膜凈化流程


特點和優(yōu)勢

·             非常純凈的氫氣,幾乎不含水分或氧氣。純度可達(dá)到99.99999%以上。

·             無需日常維護(hù)

·             鈀凈化器的正常預(yù)期壽命約為5年,具體取決于其用途和使用情況


問題

·             意外斷電可能會對鈀銀復(fù)合凈化器造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞

·             鈀銀合金可能會因吸收了氫氣而體積增大,并變形或變脆

·             若內(nèi)部有破裂,則無法修復(fù)。

·             為確保更長的使用壽命,氫氣存在時,鈀膜絕不可降溫。即使短時間內(nèi)超出或低于最佳溫度范圍,鈀膜的耐用性也會受到影響

·             氫氣通過擴(kuò)散器的凈化后,留在未經(jīng)凈化一側(cè)的氣體(仍含有氧氣和水分等雜質(zhì))必須定期從中清除,以保證足夠數(shù)量的氫分子可通過鈀膜轉(zhuǎn)移,從而保持工作效率。這是一個復(fù)雜的過程,若系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng),可能會對輸出壓力/流量產(chǎn)生脈沖影響。

·             凈化反應(yīng)需要在非常高的溫度下進(jìn)行,可能會有安全問題,因為在此過程中的任何火源都是一個巨大的危險。用于驅(qū)動加熱器芯達(dá)到高溫所需的電流很大,如果出現(xiàn)任何問題,可能會造成明顯的電弧。

·             每隔5年需要更換凈化器中的鈀膜

·             建議使用備用供電設(shè)備,以消除停機(jī)時間

·             需要消耗更多的電量以加熱到工作溫度,即更大的碳排放



3.    組合式鈀電解池/凈化系統(tǒng)

使用金屬鈀作為陽極以電解產(chǎn)生氫氣,但由于水不能有效傳導(dǎo)電流,因此需要添加可溶性的強(qiáng)電解質(zhì),通常為20%的氫氧化鈉(NaOH)水溶液。另有一束鈀管作為陰極,僅允許氫及其同位素通過,以此產(chǎn)生超高純度的氫氣。

PEM3.jpg

3 組合式鈀電解池/凈化流程


特點和優(yōu)勢

非常純凈的氫氣,幾乎不含水分或氧氣

問題

·             •電解質(zhì)溶液必須每12個月更換一次。

·             電解液NaOH(氫氧化鈉)是一種腐蝕性物質(zhì),須小心處理。

·             所有之前的電解液必須事先排空,更換過程至少需要8小時的冷卻和4小時的啟動時間。

·             含硫化合物和不飽和烴等雜質(zhì)會使?jié)B透性變差。

·             氫氧化鈉有腐蝕性,長久使用會對設(shè)備造成損壞

·             使用不當(dāng)?shù)碾娊庖嚎赡軙p壞電解池的電化學(xué)組件

·             存在電解液泄漏并可能導(dǎo)致操作人員皮膚燒傷的危險



4.     PEM電解水生產(chǎn)氫氣/PSA凈化技術(shù)

PSA技術(shù)中有兩個吸附塔,其中填充了一種小球狀的吸附材料,這種吸附材料起著分子篩的作用,兩個吸附塔交替運行。

當(dāng)氫氣通過一個吸附塔進(jìn)行凈化時,少量干燥氫氣會被用于另一個吸附塔以反吹以使吸附塔再生。即當(dāng)吸附飽和時,吸附材料會再生,為下一次吸附做準(zhǔn)備。

這種可再生的吸附材料,可反復(fù)使用,因此無需定期更換。產(chǎn)生的干燥氫氣的水分含量小于1ppm

PEM4.jpg

4. PEM電解水生產(chǎn)氫氣/PSA凈化流程

特點和優(yōu)勢

·             耐用、穩(wěn)定,且可再生

·             無需高溫或高電流。

·             可持續(xù)生產(chǎn)氫氣,無壓力波動或脈沖效應(yīng)

·             •維護(hù)簡單,僅限更換去離子柱,無需更換干燥劑或接觸腐蝕性溶液

·             啟動和關(guān)閉程序簡短方便

·             操作簡單可靠

·             凈化技術(shù)能耗低,因此可降低運營成本

·             行業(yè)研究表明,經(jīng)PSA技術(shù)凈化的氫氣*可滿足GC/MS載氣的要求。

問題

·             用于再生分子篩的氫氣會被排放到大氣中。當(dāng)然,目前市場上已有很多方式可以通過催化劑將排放的氫氣處理掉,以消除對環(huán)境的影響。



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