氫氣發(fā)生器的氫氣凈化方法探討
瀏覽次數(shù):1510 發(fā)布日期:2022-5-24
來(lái)源:畢克氣體
氫氣發(fā)生器中會(huì)采用多種凈化技術(shù)來(lái)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(guò)電解水生成氫氣,并結(jié)合各種凈化技術(shù)來(lái),以產(chǎn)生高純度的氫氣。
接下來(lái),我們一起來(lái)看看氣體發(fā)生器中氫氣的凈化都會(huì)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(jiàn)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(jiǎn)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。
圖1 PEM電解水生產(chǎn)氫氣/硅膠凈化流程
特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
- 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(wèn)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(duì)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(guò)壓力的驅(qū)動(dòng),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(shí),具有僅允許單原子氫通過(guò)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(guò)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。
圖2
PEM電解水生產(chǎn)氫氣/鈀膜凈化流程
特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
- 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(wú)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
(參考:
http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html)
問(wèn)題
- 意外斷電可能會(huì)對(duì)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(huì)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(wú)法修復(fù)。
- 為確保更長(zhǎng)的使用壽命,氫氣存在時(shí),鈀膜絕不可降溫。即使短時(shí)間內(nèi)超出或低于最佳溫度范圍,鈀膜的耐用性也會(huì)受到影響
- 氫氣通過(guò)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(guò)鈀膜轉(zhuǎn)移,從而保持工作效率。這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,若系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng),可能會(huì)對(duì)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(huì)有安全問(wèn)題,因?yàn)樵诖诉^(guò)程中的任何火源都是一個(gè)巨大的危險(xiǎn)。用于驅(qū)動(dòng)加熱器芯達(dá)到高溫所需的電流很大,如果出現(xiàn)任何問(wèn)題,可能會(huì)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(shí)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(yáng)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(guò),以此產(chǎn)生超高純度的氫氣。
圖3 組合式鈀電解池/凈化流程
特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
非常純凈的氫氣,幾乎不含水分或氧氣
問(wèn)題
- •電解質(zhì)溶液必須每12個(gè)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(guò)程至少需要8小時(shí)的冷卻和4小時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間。
- 含硫化合物和不飽和烴等雜質(zhì)會(huì)使?jié)B透性變差。
- 氫氧化鈉有腐蝕性,長(zhǎng)久使用會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞
- 使用不當(dāng)?shù)碾娊庖嚎赡軙?huì)損壞電解池的電化學(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(xiǎn)
4.
PEM電解水生產(chǎn)氫氣/PSA凈化技術(shù)
PSA技術(shù)中有兩個(gè)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(gè)吸附塔交替運(yùn)行。
當(dāng)氫氣通過(guò)一個(gè)吸附塔進(jìn)行凈化時(shí),少量干燥氫氣會(huì)被用于另一個(gè)吸附塔以反吹以使吸附塔再生。即當(dāng)吸附飽和時(shí),吸附材料會(huì)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(wú)需定期更換。產(chǎn)生的干燥氫氣的水分含量小于1ppm。
圖4 PEM電解水生產(chǎn)氫氣/PSA凈化流程
特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
- 耐用、穩(wěn)定,且可再生
- 無(wú)需高溫或高電流。
- 可持續(xù)生產(chǎn)氫氣,無(wú)壓力波動(dòng)或脈沖效應(yīng)
- •維護(hù)簡(jiǎn)單,僅限更換去離子柱,無(wú)需更換干燥劑或接觸腐蝕性溶液
- 啟動(dòng)和關(guān)閉程序簡(jiǎn)短方便
- 操作簡(jiǎn)單可靠
- 凈化技術(shù)能耗低,因此可降低運(yùn)營(yíng)成本
- 行業(yè)研究表明,經(jīng)PSA技術(shù)凈化的氫氣完全可滿足GC/MS載氣的要求。
問(wèn)題
- 用于再生分子篩的氫氣會(huì)被排放到大氣中。當(dāng)然,目前市場(chǎng)上已有很多方式可以通過(guò)催化劑將排放的氫氣處理掉,以消除對(duì)環(huán)境的影響。