氢气发生器的氢气净化方法探讨
点击次数：941 发布日期：2022-5-24
来源：毕克气体
氢气发生器中会采用多种净化技术来提高氢气的纯度，以满足设备的用气要求，例如，GC/MS应用中，需要高纯氢气作为载气；CVD应用中，需要高纯氢气作反应气等。
一般发生器都是通过电解水生成氢气，并结合各种净化技术来，以产生高纯度的氢气。
接下来，我们一起来看看气体发生器中氢气的净化都会用到哪些技术。
1.PEM电解水/硅胶净化技术
硅胶柱是一种常见的干燥净化方法，硅胶柱内填充作为干燥剂的硅胶珠，此方法简单而普遍被采用。
经PEM技术产生的氢气流经不锈钢外壳的硅胶柱以去除水分，以生产高纯度氢气，满足应用的纯度要求。
特点和优势
2.PEM电解水/钯膜净化
这是一种通过压力的驱动，使氢气在钯膜中扩散的净化装置。一般是由钯和银的的材料复合组成，当加热到300ºC以上时，具有仅允许单原子氢通过其晶格的特性。与钯膜表面接触的氢气分子分解成单原子氢并通过钯膜。然后在另一侧，单原子氢被重组成双原子氢气。
钯净化器可以有多种形式，包括管状排列、卷曲螺旋或箔膜形式。
图2 PEM电解水生产氢气/钯膜净化流程
一般发生器都是通过电解水生成氢气，并结合各种净化技术来，以产生高纯度的氢气。
接下来，我们一起来看看气体发生器中氢气的净化都会用到哪些技术。
1.PEM电解水/硅胶净化技术
硅胶柱是一种常见的干燥净化方法，硅胶柱内填充作为干燥剂的硅胶珠，此方法简单而普遍被采用。
经PEM技术产生的氢气流经不锈钢外壳的硅胶柱以去除水分，以生产高纯度氢气，满足应用的纯度要求。
图1 PEM电解水生产氢气/硅胶净化流程
特点和优势
- 方便更换
- 符合一般GC 的纯度要求
- 与其他净化方式相比，成本更低
- 净化效果不理想，一些水分或氧气残留通常仍然存在
- 需要根据使用情况定期更换硅胶柱,对于使用频率较高的客户，可能需要每周更换硅胶柱
2.PEM电解水/钯膜净化
这是一种通过压力的驱动，使氢气在钯膜中扩散的净化装置。一般是由钯和银的的材料复合组成，当加热到300ºC以上时，具有仅允许单原子氢通过其晶格的特性。与钯膜表面接触的氢气分子分解成单原子氢并通过钯膜。然后在另一侧，单原子氢被重组成双原子氢气。
钯净化器可以有多种形式，包括管状排列、卷曲螺旋或箔膜形式。
图2 PEM电解水生产氢气/钯膜净化流程
特点和优势
问题
3.组合式钯电解池/净化系统
使用金属钯作为阳极以电解产生氢气，但由于水不能有效传导电流，因此需要添加可溶性的强电解质，通常为20%的氢氧化钠（NaOH）水溶液。另有一束钯管作为阴极，仅允许氢及其同位素通过，以此产生超高纯度的氢气。
图3 组合式钯电解池/净化流程
- 非常纯净的氢气，几乎不含水分或氧气。纯度可达到99.99999%以上。
- 无需日常维护
- 钯净化器的正常预期寿命约为5年，具体取决于其用途和使用情况
问题
- 意外断电可能会对钯银复合净化器造成不可逆转的损坏
- 钯银合金可能会因吸收了氢气而体积增大，并变形或变脆
- 若内部有破裂，则无法修复。
- 为确保更长的使用寿命，氢气存在时，钯膜绝不可降温。即使短时间内超出或低于最佳温度范围，钯膜的耐用性也会受到影响
- 氢气通过扩散器的净化后，留在未经净化一侧的气体（仍含有氧气和水分等杂质）必须定期从中清除，以保证足够数量的氢分子可通过钯膜转移，从而保持工作效率。这是一个复杂的过程，若系统设计不当，可能会对输出压力/流量产生脉冲影响。
- 净化反应需要在非常高的温度下进行，可能会有安全问题，因为在此过程中的任何火源都是一个巨大的危险。用于驱动加热器芯达到高温所需的电流很大，如果出现任何问题，可能会造成明显的电弧。
- 每隔5年需要更换净化器中的钯膜
- 建议使用备用供电设备，以消除停机时间
- 需要消耗更多的电量以加热到工作温度，即更大的碳排放
3.组合式钯电解池/净化系统
使用金属钯作为阳极以电解产生氢气，但由于水不能有效传导电流，因此需要添加可溶性的强电解质，通常为20%的氢氧化钠（NaOH）水溶液。另有一束钯管作为阴极，仅允许氢及其同位素通过，以此产生超高纯度的氢气。
图3 组合式钯电解池/净化流程
特点和优势
非常纯净的氢气，几乎不含水分或氧气
问题
4.PEM电解水生产氢气/PSA净化技术
PSA技术中有两个吸附塔，其中填充了一种小球状的吸附材料，这种吸附材料起着分子筛的作用，两个吸附塔交替运行。
当氢气通过一个吸附塔进行净化时，少量干燥氢气会被用于另一个吸附塔以反吹以使吸附塔再生。即当吸附饱和时，吸附材料会再生，为下一次吸附做准备。
这种可再生的吸附材料，可反复使用，因此无需定期更换。产生的干燥氢气的水分含量小于1ppm。
图4 PEM电解水生产氢气/PSA净化流程
非常纯净的氢气，几乎不含水分或氧气
问题
- •电解质溶液必须每12个月更换一次。
- 电解液NaOH（氢氧化钠）是一种腐蚀性物质，须小心处理。
- 所有之前的电解液必须事先排空，更换过程至少需要8小时的冷却和4小时的启动时间。
- 含硫化合物和不饱和烃等杂质会使渗透性变差。
- 氢氧化钠有腐蚀性，长久使用会对设备造成损坏
- 使用不当的电解液可能会损坏电解池的电化学组件
- 存在电解液泄漏并可能导致操作人员皮肤烧伤的危险
4.PEM电解水生产氢气/PSA净化技术
PSA技术中有两个吸附塔，其中填充了一种小球状的吸附材料，这种吸附材料起着分子筛的作用，两个吸附塔交替运行。
当氢气通过一个吸附塔进行净化时，少量干燥氢气会被用于另一个吸附塔以反吹以使吸附塔再生。即当吸附饱和时，吸附材料会再生，为下一次吸附做准备。
这种可再生的吸附材料，可反复使用，因此无需定期更换。产生的干燥氢气的水分含量小于1ppm。
图4 PEM电解水生产氢气/PSA净化流程
特点和优势
- 耐用、稳定，且可再生
- 无需高温或高电流。
- 可持续生产氢气，无压力波动或脉冲效应
- •维护简单，仅限更换去离子柱，无需更换干燥剂或接触腐蚀性溶液
- 启动和关闭程序简短方便
- 操作简单可靠
- 净化技术能耗低，因此可降低运营成本
- 行业研究表明，经PSA技术净化的氢气完全可满足GC/MS载气的要求。
- 用于再生分子筛的氢气会被排放到大气中。当然，目前市场上已有很多方式可以通过催化剂将排放的氢气处理掉，以消除对环境的影响。
