透氫材料在一定的溫度和氫壓力差條件下，只讓氫氣透過的材料，主要用於製取高純氫（又稱超純氫）。
基本介紹
- 中文名：透氫材料
- 外文名：hydrogen permeating material
- 別名：氫淨化材料
- 功能：製取高純氫
- 部門：半導體材料、原子能
簡介,原因,分類,發展,
簡介
在一定的溫度和氫壓力差條件下，只讓氫氣透過的材料，主要用於製取高純氫（又稱超純氫），純度可達99.99999%，因而也稱氫淨化材料。透氫材料在半導體材料、原子能等工業部門及高純金屬、化學分析等科學研究部門中廣泛套用。
原因
隨著世界經濟的飛速發展，能源的需求量日趨增大，傳統化石能源所帶來的環境污染問題也日趨嚴重， 開發和利用可再生的、潔淨的能源，日趨成為 21 世紀能源主題之一。氫氣（H2）由於具有能量密度高、制氫原料豐富、污染小等特點受到了廣泛的關注。現階段制氫方式主要通過化石燃料蒸汽重整、氣化或部分氧化來製得。 除此之外，電解水制氫也是一種高純度的制氫方式，然而生產成本高是制約其發展的最大障礙，通過化石燃料而製得的氫氣多為含氫混合物，因此對氫氣進行分離提純是必然趨勢。 目前，氫分離技術可分為三種：變壓吸附分離、深冷分離和膜分離技術。 膜分離技術由於具有操作簡單，成本低廉等優點，被稱為第三代氣體分離技術。
分類
根據膜材料性質不同， 可以將氫分離膜分為高分子聚合物膜和無機膜兩種。無機膜相對於高分子聚合物膜而言，具有機械強度高、 化學穩定性好及適應性好等特點， 具有較好的發展前景。而無機膜又可分為多孔膜和緻密膜。高溫質子導體陶瓷分離膜由於它具有良好的化學穩定性和機械強度而備受關注。 然而純質子導體透氫膜分離氫氣時需要消耗大量的電能， 因此推動了人們對質子- 電子混合導體透氫膜的研究。
發展
透氫材料中在工業上得到大量實際套用的是鈀合金。英國人格雷厄姆(T.Graham)於1866年在實驗時發現鈀具有很高的吸氫能力。金屬鈀吸收的氫最多可達本身體積的2800倍，在溫度為 300℃以上真空中，可把吸收的氫放出。鈀及其合金的透氫功能就是由此特性決定的。純鈀由於吸氫後變形，因而未能得到套用。1956年美國人亨特（J.B.Hunter）製成鈀銀合金，解決了變形問題，於是出現了使用氫擴散透過鈀合金製取超純氫的技術。以後，日本人山本勇三和後藤良亮等人製成鈀銀金多元合金，用這種合金製造了超純氫淨化裝置。英國、聯邦德國、蘇聯和中國等國家也先後研製出鈀合金材料並製造了超純氫淨化裝置。
鈀同銀、金、釕、釔、釤、鏑等製成的合金不僅提高了鈀的強度，而且還能增強它的透氫性能。實用的鈀合金透氫材料有：純鈀和鈀銀合金，多用作小型純氫源的超純氫發生器的陰極材料。鈀銀、鈀銀金，以及在鈀銀金中加入鉑、釕、銠、鐵、鎳的合金，多用於高溫熱擴散的氫淨化裝置。含有稀土元素釔或釤等的二元合金，透氫能力和硬度均高，很有發展前途，但因抗氧化性和焊接性能差，尚未在工業中套用。另外,鎳和15-24鎳金合金雖可透過少量氫氣,但因工作溫度高（700℃以上），而且透氫速率低，在工業中也很少套用。
製取純氫的過程是：首先將淨化裝置系統抽空，清除管道系統和裝置內部的氣體雜質。同時加熱鈀淨化爐，達到400～500℃後停止抽真空，關閉真空閥和連通閥，打開原氫閥門，引入的原氫（具有高的壓力）透過鈀合金壁進入內表面（即純氫側），通過純氫流量計流出。其他氣體（氧、氮等）仍留在原氫側。原氫流從鈀淨化爐上部往下流動，雜質氣體不斷富集，從廢氫出口排出。氫透過鈀合金時的透氫速率與原氫側和純氫側之間的壓力差的平方根成正比，與加熱溫度呈指數函式關係，與鈀合金的厚度成反比。為延長鈀合金的使用壽命，加熱溫度一般在400～450℃之間,不得超過500℃。氫氣壓力差不應過高,常為6～10kgf/cm2。被淨化的原氫中含有一氧化碳和不飽和的烴類，容易使鈀合金中毒。因這些物質中的碳滲入鈀合金後，在低溫時以石墨狀態析出，會使鈀合金變脆，降低它的透氣性能。硫和鹵族元素也是有害物質。加熱溫度如低於310℃,鈀合金將吸收大量的氫,發生部分α─→β相轉變（若純鈀則全部轉變為β相），使合金體積增大11%左右，容易使鈀合金產生裂紋而破裂，所以低溫時應避免氫與鈀合金接觸。
