Използването на паладиеви дифузори за осигуряване на надеждно пречистване на водород
Известни са много технологии за производство на водород с висока чистота, но използването на паладиеви дифузори има значителни предимства пред други методи.
Генераторите на водород сега се превръщат във важен компонент на много лаборатории поради увеличеното търсене на потребление на газ. Генераторите предлагат удобството за производство на газ с висока чистота, предлагат се при поискване и се считат от много експерти за по-добри от газовите бутилки, особено от гледна точка на здравето и безопасността, в сравнение с лабораториите, използващи водород под високо налягане в лабораторна среда.
Генераторът обикновено съдържа по-малко от половин литър водород вътре в устройството. Това е малко количество в сравнение с 9000 литра газ, съдържащи се в 50-литров цилиндър за високо налягане. Има редица производители на водородни генератори, произвеждащи качествени инструменти, които осигуряват свръхвисока чистота на газа за различни приложения, включително изследване на нанотръби, изследване на газова хроматография, приложения в полупроводниковата индустрия. Повечето хора знаят, че водородният газ се получава от електролиза на вода и е много просто. Така че защо генераторите са толкова скъпи?
Въпреки че има редица строго пазени тайни в технологиите за генериране на водород с висока чистота чрез газови генератори, има и малък брой основни механизми, чрез които може да се получи водороден газ от вода. Генераторите на водород обикновено произвеждат пречистен водород, използвайки двуфазна система. Водородът първо се изолира от водата и след това се пречиства. Много водородни генератори използват протонообменни мембрани (PEM) в комбинация ссистема за пречистване на водород, като паладиеви дифузори или сушилни, използващи техники за адсорбция с промяна на налягането (PSA).
Протонообменните мембрани, използвани за производство на водород, ефективно работят като обратни горивни клетки. Водата претърпява електролиза върху мембранна клетка, която е твърд полимерен електрод, който улеснява преноса на H + йони и задържа O2 йони за образуване на O2 молекули (вижте Фигура 1.). Водородните йони, проникващи през решетъчната мембрана, създават йонни канали чрез комбинация от три механизма, известни като повърхностна дифузия, дифузия на Гротус и дифузия на трансфер [1]. Протоните проникват през мембрана, която е пропусклива за катиони, но непропусклива за аниони или електрони, и по този начин мембраните са способни да проникват само водородни йони [2]. Водородът се събира от страната на катода на клетката и впоследствие изисква пречистване, което може да се извърши с помощта на редица различни методи.
Фигура 1 Схематична диаграма, показваща функциите на протонообменната мембрана
Комбиниран паладиев електролизатор/системи за пречистване
В клетка за разделяне и пречистване на водород от паладий, анодът и катодът се състоят от сноп от тръби (вижте Фигура 2.), които се използват за електролиза на вода, съдържаща електролит (обикновено NaOH или KOH). След преминаване на електрически ток през разтвора, водородните йони дифундират през паладиеви тръби на катода, произвеждайки водород с ултрависока чистота.
Фигура 2. Схематична диаграма на генератор на водород, използващ комбинация от електролиза на паладий и система за пречистване
Тази система осигурява изключително чист водороден газ с минимално съдържание на влага и висока степен на отделяне на O2.При този метод обаче електролитът в клетката трябва периодично да се сменя и тази процедура за смяна на електролита в генератора отнема поне 12 часа (включително времето за охлаждане и времето за стартиране). При смяна на целия обем електролит трябва да се смени с нов. Остатъчните серни съединения и ненаситените въглеводороди могат да нарушат пропускливостта на водородните йони на паладиеви тръби, така че те също трябва да се сменят периодично.
Дифузионни паладиеви мембрани
Паладиеви дифузионни мембрани работят под налягането на дифузия на H+ йони. Мембраните от паладиево-сребърна сплав позволяват селективна дифузия на водородни йони през мембраната при температури над 300°C и примеси като H2O, CO2 или CO не могат да проникнат през мембраната и се задържат от страната на входа. Тези примеси могат по-късно да бъдат изпуснати в атмосферата. Паладиевите дифузори могат да се предлагат в различни форми, включително като единичен масив от тръби, гъвкави тръби или мембранни фолиа. След като водородните йони преминат през мембраната, те образуват двуатомни водородни молекули, които могат да бъдат поставени под налягане във входа на аналитичния инструмент (вижте Фигура 3).
Фигура 3 Схематична диаграма на генератор на водород, използващ паладиева дифузионна мембрана за пречистване на водород
Въпреки способността да осигурят водород с висока чистота, паладиеви клетки имат сравнително кратък живот (3-5 години) и са податливи на повреда поради механичен стрес, промени в потока или примеси във водоснабдяването и чупливост, причинена от разтворен водород, присъстващ в мембраната по време на прекъсване на захранването.
За почистване и подсушаваневодород в процеса на адсорбция с промяна на налягането, потокът от водород се насочва през две успоредни колони, които са пълни с абсорбиращ материал - зеолит, действащ като молекулно сито (виж фигура 4). Това позволява на по-малките водородни молекули да преминат през слоя, отделяйки и оставяйки след себе си по-големите водни молекули. По време на почистването водородът преминава през колона A, малко количество сух газ се връща обратно през колона B, за да измести водата от адсорбиращия материал. Когато се достигне оптималното ниво на адсорбция в колона А, процесът се връща в началната точка, в която колона В поема ролята на пречистване на водорода, а колона А се запълва. Двете колони се превключват между пречистване на водород и регенерация на колона, така че системата да може да произвежда непрекъснато снабдяване с пречистен водороден газ с изключително малки импулси и колебания на налягането. След завършване на всеки цикъл системата се регенерира напълно, което означава, че не е необходима подмяна на материала.
Фигура 4. Схематична диаграма на генератор на водород, работещ на принципите на адсорбция с промяна на налягането за пречистване на водород
Фигура 5. Схематична диаграма на генератор на водород, използващ колона със силикагел за пречистване на водород.
Изводи и заключение
Данните от изследвания показват, че има много паладиеви системи, които произвеждат сух и пречистен водород, но има редица плюсове и минуси в тяхното приложение. Поради селективната пропускливост на водородните йони H +, в случай на прекъсване на захранването и понижаване на температурата на процеса, паладият е обект на промяна в свойствата си поради факта, че H2 йони остават и се натрупват в мембраната. Притова прави паладия чуплив. Клетките трябва да работят при високи температури, за да останат оперативни и следователно трябва да преминат сложни процедури за стартиране и спиране, за да се избегне натрупването на крехки зони. Неспазването на тези условия може в крайна сметка да доведе до увреждане на клетката. Подмяната на паладиеви клетки е скъпа и времето им за работа е относително кратко.
От друга страна, PSA методът има редица предимства пред системите с паладий по отношение на своята надеждност и минимални изисквания за поддръжка. PSA системите не се нуждаят от поддържане на високи температури и висок ток. Изискването за минимална поддръжка също е положителен фактор. Въпреки че чистотата на водорода, постигната с този метод, е малко по-ниска от тази на системите с паладий (качество 6,0 срещу 7,0), системите PSA не изискват сложни процедури за изключване и системата PSA може да постигне производство на водород с висока чистота в рамките на 2-3 часа.
И четирите системи за производство на високо пречистен водород, разгледани тук, премахват необходимостта от водородни бутилки на работното място. Цената на един генератор обикновено зависи от качеството на газа, който произвежда, и технологията, използвана за производството му. Вашият избор на генератор до голяма степен се определя от вида на инструмента и приложението, което изисква водород, както и необходимата чистота на газа за този инструмент.
 |
Превод от английски,A.Arkhipov, Ph.D., работи в Peak Scientific, защитил дисертация по проблемите на математическото моделиране на процесите на разделяне на многокомпонентни смеси в Московския химичен институтТехнологичен институт на името на Д. Менделеев, [email protected]
Връзки:
1. Choi et al., (2005) Journal of The Electrochemical Society, 152(3): E123-E130, doi: 10.1149/1.1859814
2. Motupally et al., (2000) Journal of The Electrochemical Society, 147(9): 3171-3177 doi: 10.1149/1.1393879
3. Funke & Raynor, (2002) Разширено резюме на доклад, представен на CS-MAX, Сан Хосе, Калифорния, 11-13 ноември.