氫氣發(fā)生器的氫氣凈化方法探討
氫氣發(fā)生器中會采用多種凈化技術(shù)來提高氫氣的純度，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)生器都是通過電解水生成氫氣，并結(jié)合各種凈化技術(shù)來，以產(chǎn)生高純度的氫氣。
接下來，我們一起來看看氣體發(fā)生器中氫氣的凈化都會用到哪些技術(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。
特點和優(yōu)勢
2.PEM電解水/鈀膜凈化
這是一種通過壓力的驅(qū)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(fù)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(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
一般發(fā)生器都是通過電解水生成氫氣，并結(jié)合各種凈化技術(shù)來，以產(chǎn)生高純度的氫氣。
接下來，我們一起來看看氣體發(fā)生器中氫氣的凈化都會用到哪些技術(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
特點和優(yōu)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
- 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(qū)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(fù)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(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
特點和優(yōu)勢
問題
3.組合式鈀電解池/凈化系統(tǒng)
使用金屬鈀作為陽極以電解產(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，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
- 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(yù)期壽命約為5年，具體取決于其用途和使用情況
問題
- 意外斷電可能會對鈀銀復(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，則無法修復(fù)。
- 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(nèi)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(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)量的氫分子可通過鈀膜轉(zhuǎn)移，從而保持工作效率。這是一個復(fù)雜的過程，若系統(tǒng)設(shè)計不當，可能會對輸出壓力/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(qū)動加熱器芯達到高溫所需的電流很大，如果出現(xiàn)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(shè)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(tǒng)
使用金屬鈀作為陽極以電解產(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，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
特點和優(yōu)勢
非常純凈的氫氣，幾乎不含水分或氧氣
問題
4.PEM電解水生產(chǎn)氫氣/PSA凈化技術(shù)
PSA技術(shù)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(fù)使用，因此無需定期更換。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
非常純凈的氫氣，幾乎不含水分或氧氣
問題
- •電解質(zhì)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(zhì)，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(zhì)會使?jié)B透性變差。
- 氫氧化鈉有腐蝕性，長久使用會對設(shè)備造成損壞
- 使用不當?shù)碾娊庖嚎赡軙䲟p壞電解池的電化學組件
- 存在電解液泄漏并可能導(dǎo)致操作人員皮膚燒傷的危險
4.PEM電解水生產(chǎn)氫氣/PSA凈化技術(shù)
PSA技術(shù)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(fù)使用，因此無需定期更換。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
特點和優(yōu)勢
- 耐用、穩(wěn)定，且可再生
- 無需高溫或高電流。
- 可持續(xù)生產(chǎn)氫氣，無壓力波動或脈沖效應(yīng)
- •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(guān)閉程序簡短方便
- 操作簡單可靠
- 凈化技術(shù)能耗低，因此可降低運營成本
- 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。
- 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(huán)境的影響。
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