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鈀復合膜透氫穩定性的研究進展

時間:2019-04-03 來源:《山東工業技術》雜志 作者:admin 點擊:

  【摘要】本文針對鈀復合膜透氫穩定性的研究,結合理論實踐,先闡述了鈀復合膜透氫機理,然后提出影響鈀復合膜透氫穩定性的主要因素和控制方法,旨在提升鈀復合膜透氫的穩定性。

  【關鍵詞】鈀復合膜透氫;穩定性;壓力;溫度

  【引言】氫是二次能源的主要載體,具有來源廣泛、高度清潔、效率高、應用形式多樣化等特性。氫的主要來源是重整天然水蒸氣,而鈀復合膜則是制備氫的主要工具,鈀復合膜透氫穩定性直接決定了氫制備效率?;诖?,本文結合理論實踐,對鈀復合膜透氫穩定性的研究進展做了如下分析。

  1、鈀復合膜透氫機理

  在天然水蒸氣重整過程中,氫的分壓差是鈀復合膜透氫的主要動力,氫密度為0.0899g/L,遠遠小于空氣密度,因此,在壓力作用下,氫會從高壓向低壓不斷滲透,鈀復合膜透氫遵循“溶解—擴散”的機制,氫在鈀復合膜中的滲透率,可用以下公式來計算:

  此公式中,J表示氫氣鈀復合膜中滲透量;Q表示氫氣的滲透性;l表示鈀復合膜的厚度;Pr鈀復合膜滯留側的氫氣壓力;P n表示在鈀復合膜滲透側氫氣壓力;n表示鈀復合膜。從此種公式中可以看出,氫在鈀復合膜滲透的穩定性主要和溫度、鈀復合膜厚度、鈀復合膜兩側氫氣分壓差有關。

  從氫滲透本質上而言,氫氣滲透主要包括兩個過程,其一是n=0.5的表明過程;其二是鈀復合膜內部n=1的體相過程。Incident,鈀復合膜透氫的穩定性和速度由這兩個過程共同決定,為提升透氫的穩定性,鈀復合膜壓力指數控制在0.5~1之間為最佳。和其他金屬膜相比,氫可完美的透過鈀復合膜,但是當溫度降低到300℃以下時,鈀中存在貧氫相α相和富氫相β相,二者都是標準的面心立方晶格。其中β相吸氫后其原有的結構并不會發生任何變化,但點陣常數會有所增加。

  2、壓力對鈀復合膜透氫穩定性的影響和控制措施

  從公式 中可以看出,氫在鈀復合膜中穿透時主要的推動力 , 鈀復合膜兩側的分壓和壓力指數對氫穿透鈀復合膜有重要影響。在相同溫度下,氫穿透鈀復合膜通量隨著為Pr-Pp線性增長,但n=1時為氫透的表面看著過程,隨著Pr-Pp線性不斷增長,會轉變為體相控制過程【1】。如果保證鈀復合膜上游和下游的分壓不變,表面控制過程氫透膜推動力最大。某研究院通過研究發現,溫度對壓力指數n有較大影響。當溫度在673K時n=0.51,此溫度下氫的穿透過程為體相控制過程;但溫度為423K時n=0.6,此時為體現和表面共同控制過程。

  當氫分壓增加到一定程度時,鈀復合膜上游的氫會此項飽和狀態,主要原因是發生了體相氫飽和。當溫度從523K下降到373K時,壓力指數從0.5增加到0.77,則表明低溫下,鈀復合膜下游氫分子脫附阻力增加,使得氫傳質逐漸轉變為表明過程控制。研究表明,只有鈀復合膜比較干凈,n=0.5時才是最嚴格的體相擴散,如果鈀復合膜受到污染,或者其他非滲透性氣體存在于鈀復合膜表面,都會增加氫穿透阻力,從而影響鈀復合膜透氫的穩定性。因此,要嚴格控制不非滲透性氣體如:一氧化碳、甲烷等氣體進入鈀復合膜。

  3、溫度對鈀復合膜透氫穩定性影響和控制措施

  氫通量隨著溫度上升高的變化趨勢有兩種,一種是在單相區氫通量隨著溫度的升高的不斷增加;另一種溫度在升溫過程中,經歷了BCC -FCC相變,此時氫通量會隨著溫度的升高而降低,完成轉變為為FCC相以后又隨著溫度的升高而增加。溫度在623K時,BCC相中氫通量略大于FCC相的氫通量,但當溫度升高到二者都是FCC相適,后者的氫通量明顯大于前者的氫通量。從中可以看出,溫度先影響鈀復合膜合的合金相結構,影響鈀復合膜的透氫穩定性。某大學3名學生和1名教授聯合開展各個不同金屬負荷而成的膜氫透性的研究,研究結果表明,但溫度升高到548K時,氫的活化能為9.5kJ/mol,548K以下時,活化能為26.4kJ/mol【2】。這些實驗研究均表明,但鈀復合膜上下游氫分壓力保持不變時,在低溫下,并且為表面過程控制時,透氫的推動力最大,溫度升高可能使氫透過程變為相變控制,從而降低推動力。因此,在進行鈀復合膜透氫操作時,要嚴格控制溫度,才能提升透氫的穩定性。

  4、鈀復合膜厚度和組成對透氫穩定性的影響和控制

  鈀復合膜的厚度及其組成成分對透氫的穩定性也有非常重要的影響,在實際操作過程中,也要高度重視這一點。鈀復合膜厚度、組成、溫度等對透氫的影響鈀復合膜厚度越小,影響氫滲透速率的溫度會大幅度降低,當鈀復合膜的厚度為1μm、溫度為571K時,中強度的污染物會對鈀復合膜透氫產生一定程度的影響,但厚度為10μm的鈀復合膜只有強度污染物在低溫時才能對其產生影響【3】。

  還能看出,鈀復合膜抗干擾性,大于純鈀膜的抗干擾性,透氫穩定性更加優越。鈀膜制備方法不同,影響膜微觀結構和膜表面形貌的因素也不盡相同,鈀復合膜受到污染的程度也不相同。因此,在實際操作時,必須根據鈀復合膜實際情況,選擇與之相適的控制措施,才能提升鈀復合膜透氫的穩定性。

  【結束語】

  綜上所述,本文結合理論實踐,分析了鈀復合膜透氫穩定性研究進展,分析結果表明,溫度、鈀復合膜厚度、鈀復合膜兩側氫氣分壓差是影響鈀復合膜透氫穩定性的主要因素。在實際生產中,必須采用合理有效的方法,對這些影響因素進行全面控制,才能大幅度提升鈀復合膜透氫穩定性。

  【參考文獻】

  [1]王洪建,許世森,程健,張瑞云,任永強.鈀復合膜制備方法與支撐體研究進展[J].現代化工,2018,38(12):53-57.

  [2]林定標,唐春華,李慧,孫劍,徐恒泳.多通道型高效鈀復合膜在超高純氫氣提純的應用[J].低溫與特氣,2018,36(02):41-47.

  [3]鐘博揚,李芳芳,陳長安,羅文華.鈀膜制備及滲氫性能研究[J].材料導報,2016,30(19):63-69.

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