钯复合膜透氢稳定性的研究进展

作者:未知

  摘 要:本文针对钯复合膜透氢稳定性的研究,结合理论实践,先阐述了钯复合膜透氢机理,然后提出影响钯复合膜透氢稳定性的主要因素和控制方法,旨在提升钯复合膜透氢的稳定性。
  关键词:钯复合膜透氫;稳定性;压力;温度
  DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.030
  0 引言
  氢是二次能源的主要载体,具有来源广泛、高度清洁、效率高、应用形式多样化等特性。氢的主要来源是重整天然水蒸气,而钯复合膜则是制备氢的主要工具,钯复合膜透氢稳定性直接决定了氢制备效率。基于此,本文结合理论实践,对钯复合膜透氢稳定性的研究进展做了如下分析。
  1 钯复合膜透氢机理
  在天然水蒸气重整过程中,氢的分压差是钯复合膜透氢的主要动力,氢密度为0.0899g/L,远远小于空气密度,因此,在压力作用下,氢会从高压向低压不断渗透,钯复合膜透氢遵循“溶解—扩散”的机制,氢在钯复合膜中的渗透率,可用以下公式来计算:
  此公式中,J表示氢气钯复合膜中渗透量;Q表示氢气的渗透性;l表示钯复合膜的厚度;钯复合膜滞留侧的氢气压力;表示在钯复合膜渗透侧氢气压力;n表示钯复合膜。从此种公式中可以看出,氢在钯复合膜渗透的稳定性主要和温度、钯复合膜厚度、钯复合膜两侧氢气分压差有关。
  从氢渗透本质上而言,氢气渗透主要包括两个过程,其一是n=0.5的表明过程;其二是钯复合膜内部n=1的体相过程。Incident,钯复合膜透氢的稳定性和速度由这两个过程共同决定,为提升透氢的稳定性,钯复合膜压力指数控制在0.5~1之间为最佳。和其他金属膜相比,氢可完美的透过钯复合膜,但是当温度降低到300℃以下时,钯中存在贫氢相α相和富氢相β相,二者都是标准的面心立方晶格。其中β相吸氢后其原有的结构并不会发生任何变化,但点阵常数会有所增加。
  2 压力对钯复合膜透氢稳定性的影响和控制措施
  从公式中可以看出,氢在钯复合膜中穿透时主要的推动力, 钯复合膜两侧的分压和压力指数对氢穿透钯复合膜有重要影响。在相同温度下,氢穿透钯复合膜通量随着为Pr-Pp线性增长,但n=1时为氢透的表面看着过程,随着Pr-Pp线性不断增长,会转变为体相控制过程[1]。如果保证钯复合膜上游和下游的分压不变,表面控制过程氢透膜推动力最大。某研究院通过研究发现,温度对压力指数n有较大影响。当温度在673K时n=0.51,此温度下氢的穿透过程为体相控制过程;但温度为423K时n=0.6,此时为体现和表面共同控制过程。
  当氢分压增加到一定程度时,钯复合膜上游的氢会此项饱和状态,主要原因是发生了体相氢饱和。当温度从523K下降到373K时,压力指数从0.5增加到0.77,则表明低温下,钯复合膜下游氢分子脱附阻力增加,使得氢传质逐渐转变为表明过程控制。研究表明,只有钯复合膜比较干净,n=0.5时才是最严格的体相扩散,如果钯复合膜受到污染,或者其他非渗透性气体存在于钯复合膜表面,都会增加氢穿透阻力,从而影响钯复合膜透氢的稳定性。因此,要严格控制不非渗透性气体如:一氧化碳、甲烷等气体进入钯复合膜。
  3 温度对钯复合膜透氢稳定性影响和控制措施
  氢通量随着温度上升高的变化趋势有两种,一种是在单相区氢通量随着温度的升高的不断增加;另一种温度在升温过程中,经历了BCC -FCC相变,此时氢通量会随着温度的升高而降低,完成转变为FCC相以后又随着温度的升高而增加。温度在623K时,BCC相中氢通量略大于FCC相的氢通量,但当温度升高到二者都是FCC相适,后者的氢通量明显大于前者的氢通量。从中可以看出,温度先影响钯复合膜合的合金相结构,影响钯复合膜的透氢稳定性。某大学3名学生和1名教授联合开展各个不同金属负荷而成的膜氢透性的研究,研究结果表明,但温度升高到548K时,氢的活化能为9.5kJ/mol,548K以下时,活化能为26.4kJ/mol[2]。这些实验研究均表明,但钯复合膜上下游氢分压力保持不变时,在低温下,并且为表面过程控制时,透氢的推动力最大,温度升高可能使氢透过程变为相变控制,从而降低推动力。因此,在进行钯复合膜透氢操作时,要严格控制温度,才能提升透氢的稳定性。
  4 钯复合膜厚度和组成对透氢稳定性的影响和控制
  钯复合膜的厚度及其组成成分对透氢的稳定性也有非常重要的影响,在实际操作过程中,也要高度重视这一点。钯复合膜厚度、组成、温度等对透氢的影响钯复合膜厚度越小,影响氢渗透速率的温度会大幅度降低,当钯复合膜的厚度为1μm、温度为571K时,中强度的污染物会对钯复合膜透氢产生一定程度的影响,但厚度为10μm的钯复合膜只有强度污染物在低温时才能对其产生影响[3]。
  还能看出,钯复合膜抗干扰性,大于纯钯膜的抗干扰性,透氢稳定性更加优越。钯膜制备方法不同,影响膜微观结构和膜表面形貌的因素也不尽相同,钯复合膜受到污染的程度也不相同。因此,在实际操作时,必须根据钯复合膜实际情况,选择与之相适的控制措施,才能提升钯复合膜透氢的稳定性。
  5 结束语
  综上所述,本文结合理论实践,分析了钯复合膜透氢稳定性研究进展,分析结果表明,温度、钯复合膜厚度、钯复合膜两侧氢气分压差是影响钯复合膜透氢稳定性的主要因素。在实际生产中,必须采用合理有效的方法,对这些影响因素进行全面控制,才能大幅度提升钯复合膜透氢稳定性。
  参考文献:
  [1]王洪建,许世森,程健,张瑞云,任永强.钯复合膜制备方法与支撑体研究进展[J].现代化工,2018,38(12):53-57.
  [2]林定标,唐春华,李慧,孙剑,徐恒泳.多通道型高效钯复合膜在超高纯氢气提纯的应用[J].低温与特气,2018,36(02):41-47.
  [3]钟博扬,李芳芳,陈长安,罗文华.钯膜制备及渗氢性能研究[J].材料导报,2016,30(19):63-69.
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