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          氫氣的提純方法

          更新時(shí)間:2017-07-19      點(diǎn)擊次數:3437
            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)譜應用提供載氣的氫氣發(fā)生器利用多項技術(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/鈀擴散
           
            鈀薄膜氫氣提純器利用壓力驅動(dòng)跨鈀薄膜擴散原理工作。只有氫氣能夠擴散穿過(guò)鈀擴散器。鈀擴散器款式多樣,包括管、螺旋管或薄膜箔陣列。鈀擴散器由鈀銀合金材料制成,該材料在加熱到標稱(chēng) 300ºC 以上時(shí)具有只允許單原子氫穿過(guò)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(guò)薄膜。在鈀薄膜的另一側,單原子氫重新組合為雙原子氫。
           
            PEM/鈀擴散過(guò)程
           
          特點(diǎn)與優(yōu)勢
           
            • 超高純度氫氣,幾乎無(wú)水分或氧氣攜帶。純度超過(guò) 99.99999%。
           
            • 無(wú)需例行維護。
           
            • 提純器中鈀擴散器的預計正常使用壽命約為 5 年,取決于具體應用以及使用情況(來(lái)源: http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html)
           
            問(wèn)題
           
            • 使用鈀銀合金時(shí),意外斷電會(huì )對擴散器造成無(wú)法逆轉的損害。
           
            • 鈀銀合金會(huì )吸收氫氣,導致體積增加或變形變脆。
           
            • 如果擴散器因孔洞而破裂,對此進(jìn)行維修無(wú)經(jīng)濟優(yōu)勢。
           
            • 在氫氣存在時(shí)保證鈀薄膜不冷卻對于延長(cháng)使用壽命關(guān)重要。即使提純器短時(shí)間內在*工作溫度范圍外運行,也會(huì )使其耐用性下降。
           
            • 氫氣進(jìn)入擴散器“提純”側后,需定期清理電解槽“未提純”側氫氣(仍包含氧氣和水分等雜質(zhì))。這樣可以確保有充足數量的氫分子可進(jìn)行跨鈀薄膜傳遞,以便維持擴散器效率。這一過(guò)程非常復雜,如果系統設計不佳,會(huì )使擴散器輸出壓力/流量產(chǎn)生脈沖效應。
           
            • 反應在超高溫度下進(jìn)行,該過(guò)程中出現任何火源都非常危險,由此會(huì )引發(fā)安全顧慮。用于驅動(dòng)加熱器盒的電流在此溫度下非常危險,如果發(fā)生任何問(wèn)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時(shí)間。
           
            • 碳排放量更大,因為需要用電將鈀合金加熱工作溫度。
           
            鈀電解槽/提純器綜合系統
           
            采用金屬鈀陽(yáng)極,由于水無(wú)法有效傳導電流,因此添加強水溶性電解質(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(guò)陰極,生成超高純度氫氣。
           
            鈀電解槽/提純器綜合系統
           
          特點(diǎn)與優(yōu)勢
           
            超高純度氫氣,幾乎無(wú)水分和氧氣攜帶
           
            問(wèn)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(guò)程少需要 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氫化合物會(huì )降低滲透性。
           
            • 氫氧化鈉會(huì )腐蝕設備,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,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(guò)兩個(gè)充滿(mǎn)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(guò)一個(gè)柱時(shí),少量干燥氣體沿另一柱傳遞。無(wú)吸附能力時(shí),吸附材料會(huì )強制再生。該動(dòng)作會(huì )在柱中*再生吸附材料,因此無(wú)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)周期準備就緒。生產(chǎn)的氫氣干燥程度*,水分含量?jì)H為 1ppm。
           
            PEM/吸附 PSA 過(guò)程
           
          特點(diǎn)與優(yōu)勢
           
            • 穩定性高,可再生技術(shù)。
           
            • 無(wú)高壓或與之關(guān)聯(lián)的高電流。
           
            • 連續氫氣流,無(wú)壓力波動(dòng)或脈沖效應。
           
            • 維護要求限于消電離器盒的更換。無(wú)需更換干燥劑或危險的腐蝕劑。
           
            • 啟動(dòng)和停機程序簡(jiǎn)短方便。
           
            • 操作簡(jiǎn)便,運行可靠。
           
            • 與其他氫氣提純方法相比,能耗較低,因此運行成本更低。
           
            • 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 Agilent 技術(shù)公司的純度建議,PSA 足以滿(mǎn)足氣相色譜/質(zhì)譜的要求。
           
            問(wèn)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(guò)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
           
            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(guò)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(mǎn)足行業(yè)純度要求的高純度氫氣。
           
            PEM/硅膠干燥過(guò)程
           
          特點(diǎn)與優(yōu)勢
           
            干燥器(硅膠)和消離子器盒更換簡(jiǎn)便。
           
            滿(mǎn)足氣相色譜純度的一般要求。
           
            與其他提純方法相比,性?xún)r(jià)比高。
           
            問(wèn)題
           
            通常會(huì )存在一些水分或氧氣攜帶。
           
            干燥劑(硅膠)需要連續監控并定期更換,具體取決于系統使用情況。使用頻繁時(shí),干燥盒可能需要每周更換。

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