发布
16/05/2022

本文对目前常用的四种氢气净化方法各自的优势与缺点进行探讨。

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,此方法简单而被普遍采用。

经PEM技术产生的氢气流经硅胶柱以去除水分,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。PEM电解水/钯膜净化

 

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。*

 

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,进而损坏,造成高昂的维护成本;

  • 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,进而影响后端设备的使用;

  • 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;

  • 需要要消耗更多的电量以加热到工作温度,即更大的碳排放。

*参考: http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html

 

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/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。

Peak Precision 系列氢气发生器

Peak Precision 系列氢气发生器普遍采用最新的PEM电解池制氢技术和硅胶柱干燥技术以及PSA干燥技术(Trace系列),可产生纯度高达99.9995%的纯净、干燥氢气(Trace系列纯度可达99.99999%),满足GC等多种实验室设备的用气需求。

如您想阅读更多氢气发生器的应用,或了解Peak氢气发生器产品,请访问毕克官网,或致电毕克官方热线400-888-1612。

 

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