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氫氣的提純方法

來源:畢克氣體儀器貿(mào)易(上海)有限公司   2016年06月30日 10:35  

關(guān)于氫氣生成技術(shù)的技術(shù)考量

為氣相色譜和氣相色譜/質(zhì)譜應(yīng)用提供載氣的氫氣發(fā)生器利用多項(xiàng)技術(shù)提供高純度氫氣。本文將探討各種氫氣提純方法。前 3 種方法結(jié)合使用 PEM(質(zhì)子交換膜)和多種提純技術(shù),第 4 種方法使用綜合鈀電解槽。

 

PEM/鈀擴(kuò)散

鈀薄膜氫氣提純器利用壓力驅(qū)動(dòng)跨鈀薄膜擴(kuò)散原理工作。只有氫氣能夠擴(kuò)散穿過鈀擴(kuò)散器。鈀擴(kuò)散器款式多樣,包括管、螺旋管或薄膜箔陣列。鈀擴(kuò)散器由鈀銀合金材料制成,該材料在加熱到標(biāo)稱 300ºC 以上時(shí)具有只允許單原子氫穿過其晶格的*屬性。與鈀薄膜表面接觸的氫分子離解為單原子氫并穿過薄膜。在鈀薄膜的另一側(cè),單原子氫重新組合為雙原子氫。

 

PEM/鈀擴(kuò)散過程

特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

       • 超高純度氫氣,幾乎無水分或氧氣攜帶。純度超過 99.99999%。
       • 無需例行維護(hù)。 
       • 提純器中鈀擴(kuò)散器的預(yù)計(jì)正常使用壽命約為 5 年,取決于具體應(yīng)用以及使用情況(來源: http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html)

問題

       • 使用鈀銀合金時(shí),意外斷電會(huì)對(duì)擴(kuò)散器造成無法逆轉(zhuǎn)的損害。
       • 鈀銀合金會(huì)吸收氫氣,導(dǎo)致體積增加或變形變脆。
       • 如果擴(kuò)散器因孔洞而破裂,對(duì)此進(jìn)行維修無經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
       • 在氫氣存在時(shí)保證鈀薄膜不冷卻對(duì)于延長(zhǎng)使用壽命至關(guān)重要。即使提純器短時(shí)間內(nèi)在*工作溫度范圍外運(yùn)行,也會(huì)使其耐用性下降。
       • 氫氣進(jìn)入擴(kuò)散器“提純”側(cè)后,需定期清理電解槽“未提純”側(cè)氫氣(仍包含氧氣和水分等雜質(zhì))。這樣可以確保有充足數(shù)量的氫分子可進(jìn)行跨鈀薄膜傳遞,以便維持?jǐn)U散器效率。這一過程非常復(fù)雜,如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不佳,會(huì)使擴(kuò)散器輸出壓力/流量產(chǎn)生脈沖效應(yīng)。
       • 反應(yīng)在超高溫度下進(jìn)行,該過程中出現(xiàn)任何火源都非常危險(xiǎn),由此會(huì)引發(fā)安全顧慮。用于驅(qū)動(dòng)加熱器盒的電流在此溫度下非常危險(xiǎn),如果發(fā)生任何問題都有可能產(chǎn)生明顯電弧。
       • 需要更換提純器中的鈀薄膜,更換間隔約為 5 年。
       • 推薦使用備用電解槽消除停機(jī)時(shí)間。
       • 碳排放量更大,因?yàn)樾枰秒妼⑩Z合金加熱至工作溫度。

 

鈀電解槽/提純器綜合系統(tǒng)

采用金屬鈀陽極,由于水無法有效傳導(dǎo)電流,因此添加強(qiáng)水溶性電解質(zhì),通常使用 20% 的氫氧化鈉 (NaOH)。鈀管束作為陰極,只有氫及其同位素能夠穿過陰極,生成超高純度氫氣。

鈀電解槽/提純器綜合系統(tǒng)

特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

  • 超高純度氫氣,幾乎無水分和氧氣攜帶

問題
       • 每 12 個(gè)月必須更換電解槽中的電解質(zhì)溶液。使用的電解質(zhì)為 NaOH(氫氧化鈉),氫氧化鈉為腐蝕性物質(zhì),必須小心處理。更換過程至少需要 8 個(gè)小時(shí)的冷卻時(shí)間和 4 個(gè)小時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間。必須事先排空所有之前使用的電解質(zhì)溶液。
       • 含硫化合物和不飽和碳?xì)浠衔飼?huì)降低滲透性。
       • 氫氧化鈉會(huì)腐蝕設(shè)備,久而久之會(huì)造成損害。
       • 使用質(zhì)量較差的電解質(zhì)會(huì)損害電解槽的電化學(xué)裝置。
       • 存在電解質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn),會(huì)灼傷皮膚。

 

PEM/吸附劑變壓吸附

變壓吸附技術(shù)利用改變通過兩個(gè)充滿吸附材料(珠狀)柱的流量的原理工作,其中的吸附材料作為分子篩。氫通過一個(gè)柱時(shí),少量干燥氣體沿另一柱傳遞。無吸附能力時(shí),吸附材料會(huì)強(qiáng)制再生。該動(dòng)作會(huì)在柱中*再生吸附材料,因此無需更換材料。少量產(chǎn)品氫氣沖走廢物后,容器為下一生產(chǎn)周期準(zhǔn)備就緒。生產(chǎn)的氫氣干燥程度*,水分含量?jī)H為 1ppm。

 

PEM/吸附 PSA 過程

特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)
       • 穩(wěn)定性高,可再生技術(shù)。
       • 無高壓或與之關(guān)聯(lián)的高電流。
       • 連續(xù)氫氣流,無壓力波動(dòng)或脈沖效應(yīng)。
       • 維護(hù)要求限于消電離器盒的更換。無需更換干燥劑或危險(xiǎn)的腐蝕劑。
       • 啟動(dòng)和停機(jī)程序簡(jiǎn)短方便。
       • 操作簡(jiǎn)便,運(yùn)行可靠。
       • 與其他氫氣提純方法相比,能耗較低,因此運(yùn)行成本更低。
       • 行業(yè)研究表明使用鈀技術(shù)能夠生產(chǎn)zui干燥的氫氣,但根據(jù) Agilent 技術(shù)公司的純度建議,PSA 足以滿足氣相色譜/質(zhì)譜的要求。

問題

  • 電解槽更換成本更高。
  • 用于再生分子篩的氫氣會(huì)排入空氣。也可選擇市場(chǎng)中將此部分氫氣通過催化劑以消除向空氣排放氫氣的氫氣發(fā)生器。

 

PEM/硅膠干燥系統(tǒng)

使用硅膠干燥柱是另一常用提純方法并且因其簡(jiǎn)便易行而被廣泛采用。使用 PEM 技術(shù)產(chǎn)生的氫氣會(huì)流過不銹鋼干燥盒去除水分。干燥柱通常由硅膠珠組成,硅膠珠在氫氣中作為干燥劑,可產(chǎn)生滿足行業(yè)純度要求的高純度氫氣。

 

PEM/硅膠干燥過程

特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

  • 干燥器(硅膠)和消離子器盒更換簡(jiǎn)便。
  • 滿足氣相色譜純度的一般要求。
  • 與其他提純方法相比,性價(jià)比高。

問題

  • 通常會(huì)存在一些水分或氧氣攜帶。
  • 干燥劑(硅膠)需要連續(xù)監(jiān)控并定期更換,具體取決于系統(tǒng)使用情況。使用頻繁時(shí),干燥盒可能需要每周更換。

 

 

 

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