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氫氣發生器的氫氣凈化方法探討

瀏覽次數:1852 發布日期:2022-5-24  來源:畢克氣體
氫氣發生器中會采用多種凈化技術來提高氫氣的純度,以滿足設備的用氣要求,例如,GC/MS應用中,需要高純氫氣作為載氣;CVD應用中,需要高純氫氣作反應氣等。
一般發生器都是通過電解水生成氫氣,并結合各種凈化技術來,以產生高純度的氫氣。
接下來,我們一起來看看氣體發生器中氫氣的凈化都會用到哪些技術。
 

1.PEM電解水/硅膠凈化技術
硅膠柱是一種常見的干燥凈化方法,硅膠柱內填充作為干燥劑的硅膠珠,此方法簡單而普遍被采用。
經PEM技術產生的氫氣流經不銹鋼外殼的硅膠柱以去除水分,以生產高純度氫氣,滿足應用的純度要求。
 
圖1 PEM電解水生產氫氣/硅膠凈化流程

特點和優勢
  • 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動,使氫氣在鈀膜中擴散的凈化裝置。一般是由鈀和銀的的材料復合組成,當加熱到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,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電解水生產氫氣/鈀膜凈化流程
特點和優勢
  • 非常純凈的氫氣,幾乎不含水分或氧氣。純度可達到99.99999%以上。
  • 無需日常維護
  • 鈀凈化器的正常預期壽命約為5年,具體取決于其用途和使用情況
(參考: http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html)
問題
  • 意外斷電可能會對鈀銀復合凈化器造成不可逆轉的損壞
  • 鈀銀合金可能會因吸收了氫氣而體積增大,并變形或變脆
  • 若內部有破裂,則無法修復。
  • 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
  • 氫氣通過擴散器的凈化后,留在未經凈化一側的氣體(仍含有氧氣和水分等雜質)必須定期從中清除,以保證足夠數量的氫分子可通過鈀膜轉移,從而保持工作效率。這是一個復雜的過程,若系統設計不當,可能會對輸出壓力/流量產生脈沖影響。
  • 凈化反應需要在非常高的溫度下進行,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。用于驅動加熱器芯達到高溫所需的電流很大,如果出現任何問題,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備,以消除停機時間
  • 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
使用金屬鈀作為陽極以電解產生氫氣,但由于水不能有效傳導電流,因此需要添加可溶性的強電解質,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,以此產生超高純度的氫氣。

圖3 組合式鈀電解池/凈化流程
特點和優勢
非常純凈的氫氣,幾乎不含水分或氧氣
問題
  • •電解質溶液必須每12個月更換一次。
  • 電解液NaOH(氫氧化鈉)是一種腐蝕性物質,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會使滲透性變差。
  • 氫氧化鈉有腐蝕性,長久使用會對設備造成損壞
  • 使用不當的電解液可能會損壞電解池的電化學組件
  • 存在電解液泄漏并可能導致操作人員皮膚燒傷的危險​

4.PEM電解水生產氫氣/PSA凈化技術
PSA技術中有兩個吸附塔,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。
當氫氣通過一個吸附塔進行凈化時,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。即當吸附飽和時,吸附材料會再生,為下一次吸附做準備。
這種可再生的吸附材料,可反復使用,因此無需定期更換。產生的干燥氫氣的水分含量小于1ppm。

圖4 PEM電解水生產氫氣/PSA凈化流程
特點和優勢
  • 耐用、穩定,且可再生
  • 無需高溫或高電流。
  • 可持續生產氫氣,無壓力波動或脈沖效應
  • •維護簡單,僅限更換去離子柱,無需更換干燥劑或接觸腐蝕性溶液
  • 啟動和關閉程序簡短方便
  • 操作簡單可靠
  • 凈化技術能耗低,因此可降低運營成本
  • 行業研究表明,經PSA技術凈化的氫氣完全可滿足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,以消除對環境的影響。
發布者:畢克氣體儀器貿易(上海)有限公司
聯系電話:400-888-1612
E-mail:jexu@peakscientific.com

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