氢气的提纯方法

关于氢气生成技术的技术考量

为气相色谱和气相色谱/质谱应用提供载气的氢气发生器利用多项技术提供高纯度氢气。本文将探讨各种氢气提纯方法。前 3 种方法结合使用 PEM（质子交换膜）和多种提纯技术，第 4 种方法使用综合钯电解槽。

PEM/钯扩散

钯薄膜氢气提纯器利用压力驱动跨钯薄膜扩散原理工作。只有氢气能够扩散穿过钯扩散器。钯扩散器款式多样，包括管、螺旋管或薄膜箔阵列。钯扩散器由钯银合金材料制成，该材料在加热到标称 300oC 以上时具有只允许单原子氢穿过其晶格的独特属性。与钯薄膜表面接触的氢分子离解为单原子氢并穿过薄膜。在钯薄膜的另一侧，单原子氢重新组合为双原子氢。

PEM/钯扩散过程

特点与优势

        超高纯度氢气，几乎无水分或氧气携带。纯度超过 99.99999%。
        无需例行维护。 
        提纯器中钯扩散器的预计正常使用寿命约为 5 年，取决于具体应用以及使用情况（来源： http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html）

问题

         使用钯银合金时，意外断电会对扩散器造成无法逆转的损害。
         钯银合金会吸收氢气，导致体积增加或变形变脆。
         如果扩散器因孔洞而破裂，对此进行维修无经济优势。
         在氢气存在时保证钯薄膜不冷却对于延长使用寿命至关重要。即使提纯器短时间内在最佳工作温度范围外运行，也会使其耐用性下降。
         氢气进入扩散器“提纯”侧后，需定期清理电解槽“未提纯”侧遗留氢气（仍包含氧气和水分等杂质）。这样可以确保有充足数量的氢分子可进行跨钯薄膜传递，以便维持扩散器效率。这一过程非常复杂，如果系统设计不佳，会使扩散器输出压力/流量产生脉冲效应。
         反应在超高温度下进行，该过程中出现任何火源都非常危险，由此会引发安全顾虑。用于驱动加热器盒的电流在此温度下非常危险，如果发生任何问题都有可能产生明显电弧。
         需要更换提纯器中的钯薄膜，更换间隔约为 5 年。
         推荐使用备用电解槽消除停机时间。
         碳排放量更大，因为需要用电将钯合金加热至工作温度。

钯电解槽/提纯器综合系统

采用金属钯阳极，由于水无法有效传导电流，因此添加强水溶性电解质，通常使用 20% 的氢氧化钠 (NaOH)。钯管束作为阴极，只有氢及其同位素能够穿过阴极，生成超高纯度氢气。

钯电解槽/提纯器综合系统

特点与优势

超高纯度氢气，几乎无水分和氧气携带

问题
         每 12 个月必须更换电解槽中的电解质溶液。使用的电解质为 NaOH（氢氧化钠），氢氧化钠为腐蚀性物质，必须小心处理。更换过程至少需要 8 个小时的冷却时间和 4 个小时的启动时间。必须事先排空所有之前使用的电解质溶液。
         含硫化合物和不饱和碳氢化合物会降低渗透性。
         氢氧化钠会腐蚀设备，久而久之会造成损害。
         使用质量较差的电解质会损害电解槽的电化学装置。
         存在电解质泄漏风险，会灼伤皮肤。

PEM/吸附剂变压吸附

变压吸附技术利用改变通过两个充满吸附材料（珠状）柱的流量的原理工作，其中的吸附材料作为分子筛。氢通过一个柱时，少量干燥气体沿另一柱传递。无吸附能力时，吸附材料会强制再生。该动作会在柱中完全再生吸附材料，因此无需更换材料。少量产品氢气冲走废物后，容器为下一生产周期准备就绪。生产的氢气干燥程度极高，水分含量仅为 1ppm。

PEM/吸附 PSA 过程

特点与优势
          稳定性高，可再生技术。
          无高压或与之关联的高电流。
          连续氢气流，无压力波动或脉冲效应。
          维护要求限于消电离器盒的更换。无需更换干燥剂或危险的腐蚀剂。
          启动和停机程序简短方便。
          操作简便，运行可靠。
          与其他氢气提纯方法相比，能耗较低，因此运行成本更低。
          行业研究表明使用钯技术能够生产最干燥的氢气，但根据 Agilent 技术公司的纯度建议，PSA 足以满足气相色谱/质谱的要求。

问题

电解槽更换成本更高。

用于再生分子筛的氢气会排入空气。也可选择市场中将此部分氢气通过催化剂以消除向空气排放氢气的氢气发生器。

PEM/硅胶干燥系统

使用硅胶干燥柱是另一常用提纯方法并且因其简便易行而被广泛采用。使用 PEM 技术产生的氢气会流过不锈钢干燥盒去除水分。干燥柱通常由硅胶珠组成，硅胶珠在氢气中作为干燥剂，可产生满足行业纯度要求的高纯度氢气。

PEM/硅胶干燥过程

特点与优势

干燥器（硅胶）和消离子器盒更换简便。

满足气相色谱纯度的一般要求。

与其他提纯方法相比，性价比高。

问题

通常会存在一些水分或氧气携带。

干燥剂（硅胶）需要连续监控并定期更换，具体取决于系统使用情况。使用频繁时，干燥盒可能需要每周更换。