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獨(dú)特屬性。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

       • 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)，意外斷電會對擴(kuò)散器造成無法逆轉(zhuǎn)的損害。
       • 鈀銀合金會吸收氫氣，導(dǎo)致體積增加或變形變脆。
       • 如果擴(kuò)散器因孔洞而破裂，對此進(jìn)行維修無經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
       • 在氫氣存在時(shí)保證鈀薄膜不冷卻對于延長使用壽命至關(guān)重要。即使提純器短時(shí)間內(nèi)在最佳工作溫度范圍外運(yùn)行，也會使其耐用性下降。
       • 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)遺留氫氣（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)，由此會引發(fā)安全顧慮。用于驅(qū)動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�用電將鈀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

• 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�合物會降低滲透性。
       • 氫氧化鈉會腐蝕設(shè)備，久而久之會造成損害。
       • 使用質(zhì)量較差的電解質(zhì)會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)，吸附材料會強(qiáng)制再生。該動作會在柱中完全再生吸附材料，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)的氫氣干燥程度極高，水分含量僅為 1ppm。

PEM/吸附 PSA 過程

特點(diǎn)與優(yōu)勢
       • 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。
       • 啟動和停機(jī)程序簡短方便。
       • 操作簡便，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)最干燥的氫氣，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排入空氣。也可選擇市場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便易行而被廣泛采用。使用 PEM 技術(shù)產(chǎn)生的氫氣會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

• 干燥器（硅膠）和消離子器盒更換簡便。
• 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。

 

Ed Connor DR.SC. 是 GC-MS 應(yīng)用方面的專家, 去年2月加入Peak，他在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院取得了博士學(xué)位 。然后他加入了蘇黎世大學(xué),他的工作主要集中在采用氣相色譜和GC-FID研究揮發(fā)物的收集方法和分析 +44 141 812 8100, econnor@peakscientific.com