關(guān)于氫氣生成技術(shù)的技術(shù)考量

為氣相色譜和氣相色譜/質(zhì)譜應(yīng)用提供載氣的氫氣發(fā)生器利用多項(xiàng)技術(shù)提供高純度氫氣。本文將探討各種氫氣提純方法。前 3 種方法結(jié)合使用 PEM（質(zhì)子交換膜）和多種提純技術(shù)，第 4 種方法使用綜合鈀電解槽。

PEM/鈀擴(kuò)散

鈀薄膜氫氣提純器利用壓力驅(qū)動(dòng)跨鈀薄膜擴(kuò)散原理工作。只有氫氣能夠擴(kuò)散穿過(guò)鈀擴(kuò)散器。鈀擴(kuò)散器款式多樣，包括管、螺旋管或薄膜箔陣列。鈀擴(kuò)散器由鈀銀合金材料制成，該材料在加熱到標(biāo)稱(chēng) 300ºC 以上時(shí)具有只允許單原子氫穿過(guò)其晶格的獨(dú)特屬性。與鈀薄膜表面接觸的氫分子離解為單原子氫并穿過(guò)薄膜。在鈀薄膜的另一側(cè)，單原子氫重新組合為雙原子氫。

PEM/鈀擴(kuò)散過(guò)程

特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

       • 超高純度氫氣，幾乎無(wú)水分或氧氣攜帶。純度超過(guò) 99.99999%。
       • 無(wú)需例行維護(hù)。 
       • 提純器中鈀擴(kuò)散器的預(yù)計(jì)正常使用壽命約為 5 年，取決于具體應(yīng)用以及使用情況（來(lái)源： http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html）

問(wèn)題

       • 使用鈀銀合金時(shí)，意外斷電會(huì)對(duì)擴(kuò)散器造成無(wú)法逆轉(zhuǎn)的損害。
       • 鈀銀合金會(huì)吸收氫氣，導(dǎo)致體積增加或變形變脆。
       • 如果擴(kuò)散器因孔洞而破裂，對(duì)此進(jìn)行維修無(wú)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
       • 在氫氣存在時(shí)保證鈀薄膜不冷卻對(duì)于延長(zhǎng)使用壽命至關(guān)重要。即使提純器短時(shí)間內(nèi)在最佳工作溫度范圍外運(yùn)行，也會(huì)使其耐用性下降。
       • 氫氣進(jìn)入擴(kuò)散器“提純”側(cè)后，需定期清理電解槽“未提純”側(cè)遺留氫氣（仍包含氧氣和水分等雜質(zhì)）。這樣可以確保有充足數(shù)量的氫分子可進(jìn)行跨鈀薄膜傳遞，以便維持?jǐn)U散器效率。這一過(guò)程非常復(fù)雜，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不佳，會(huì)使擴(kuò)散器輸出壓力/流量產(chǎn)生脈沖效應(yīng)。
       • 反應(yīng)在超高溫度下進(jìn)行，該過(guò)程中出現(xiàn)任何火源都非常危險(xiǎn)，由此會(huì)引發(fā)安全顧慮。用于驅(qū)動(dòng)加熱器盒的電流在此溫度下非常危險(xiǎn)，如果發(fā)生任何問(wèn)題都有可能產(chǎn)生明顯電弧。
       • 需要更換提純器中的鈀薄膜，更換間隔約為 5 年。
       • 推薦使用備用電解槽消除停機(jī)時(shí)間。
       • 碳排放量更大，因?yàn)樾枰�用電將鈀合金加熱至工作溫度。

鈀電解槽/提純器綜合系統(tǒng)

采用金屬鈀陽(yáng)極，由于水無(wú)法有效傳導(dǎo)電流，因此添加強(qiáng)水溶性電解質(zhì)，通常使用 20% 的氫氧化鈉 (NaOH)。鈀管束作為陰極，只有氫及其同位素能夠穿過(guò)陰極，生成超高純度氫氣。

鈀電解槽/提純器綜合系統(tǒng)

特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

• 超高純度氫氣，幾乎無(wú)水分和氧氣攜帶

問(wèn)題
       • 每 12 個(gè)月必須更換電解槽中的電解質(zhì)溶液。使用的電解質(zhì)為 NaOH（氫氧化鈉），氫氧化鈉為腐蝕性物質(zhì)，必須小心處理。更換過(guò)程至少需要 8 個(gè)小時(shí)的冷卻時(shí)間和 4 個(gè)小時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間。必須事先排空所有之前使用的電解質(zhì)溶液。
       • 含硫化合物和不飽和碳?xì)浠�合物�?huì)降低滲透性。
       • 氫氧化鈉會(huì)腐蝕設(shè)備，久而久之會(huì)造成損害。
       • 使用質(zhì)量較差的電解質(zhì)會(huì)損害電解槽的電化學(xué)裝置。
       • 存在電解質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)灼傷皮膚。

PEM/吸附劑變壓吸附

變壓吸附技術(shù)利用改變通過(guò)兩個(gè)充滿(mǎn)吸附材料（珠狀）柱的流量的原理工作，其中的吸附材料作為分子篩。氫通過(guò)一個(gè)柱時(shí)，少量干燥氣體沿另一柱傳遞。無(wú)吸附能力時(shí)，吸附材料會(huì)強(qiáng)制再生。該動(dòng)作會(huì)在柱中完全再生吸附材料，因此無(wú)需更換材料。少量產(chǎn)品氫氣沖走廢物后，容器為下一生產(chǎn)周期準(zhǔn)備就緒。生產(chǎn)的氫氣干燥程度極高，水分含量?jī)H為 1ppm。

PEM/吸附 PSA 過(guò)程

特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)
       • 穩(wěn)定性高，可再生技術(shù)。
       • 無(wú)高壓或與之關(guān)聯(lián)的高電流。
       • 連續(xù)氫氣流，無(wú)壓力波動(dòng)或脈沖效應(yīng)。
       • 維護(hù)要求限于消電離器盒的更換。無(wú)需更換干燥劑或危險(xiǎn)的腐蝕劑。
       • 啟動(dòng)和停機(jī)程序簡(jiǎn)短方便。
       • 操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行可靠。
       • 與其他氫氣提純方法相比，能耗較低，因此運(yùn)行成本更低。
       • 行業(yè)研究表明使用鈀技術(shù)能夠生產(chǎn)最干燥的氫氣，但根據(jù) Agilent 技術(shù)公司的純度建議，PSA 足以滿(mǎn)足氣相色譜/質(zhì)譜的要求。

問(wèn)題

• 電解槽更換成本更高。
• 用于再生分子篩的氫氣會(huì)排入空氣。也可選擇市場(chǎng)中將此部分氫氣通過(guò)催化劑以消除向空氣排放氫氣的氫氣發(fā)生器。

PEM/硅膠干燥系統(tǒng)

使用硅膠干燥柱是另一常用提純方法并且因其簡(jiǎn)便易行而被廣泛采用。使用 PEM 技術(shù)產(chǎn)生的氫氣會(huì)流過(guò)不銹鋼干燥盒去除水分。干燥柱通常由硅膠珠組成，硅膠珠在氫氣中作為干燥劑，可產(chǎn)生滿(mǎn)足行業(yè)純度要求的高純度氫氣。

PEM/硅膠干燥過(guò)程

特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

• 干燥器（硅膠）和消離子器盒更換簡(jiǎn)便。
• 滿(mǎn)足氣相色譜純度的一般要求。
• 與其他提純方法相比，性?xún)r(jià)比高。

問(wèn)題

• 通常會(huì)存在一些水分或氧氣攜帶。
• 干燥劑（硅膠）需要連續(xù)監(jiān)控并定期更換，具體取決于系統(tǒng)使用情況。使用頻繁時(shí)，干燥盒可能需要每周更換。

Ed Connor DR.SC. 是 GC-MS 應(yīng)用方面的專(zhuān)家, 去年2月加入Peak，他在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院取得了博士學(xué)位 。然后他加入了蘇黎世大學(xué),他的工作主要集中在采用氣相色譜和GC-FID研究揮發(fā)物的收集方法和分析 +44 141 812 8100, econnor@peakscientific.com