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氢气发生器的氢气净化方法探讨
点击次数:341 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。
 
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
问题
  • 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
  • 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
(参考: http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html)
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
  • •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。
问题
  • 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。
来源:毕克气体仪器贸易(上海)有限公司
联系电话:400-888-1612
E-mail:jexu@peakscientific.com

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