鈀復(fù)合膜透氫穩(wěn)定性的研究進(jìn)展

范菁菁

摘 要：本文針對鈀復(fù)合膜透氫穩(wěn)定性的研究，結(jié)合理論實(shí)踐，先闡述了鈀復(fù)合膜透氫機(jī)理，然后提出影響鈀復(fù)合膜透氫穩(wěn)定性的主要因素和控制方法，旨在提升鈀復(fù)合膜透氫的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：鈀復(fù)合膜透氫；穩(wěn)定性；壓力；溫度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.030

0 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(yīng)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(fù)合膜則是制備氫的主要工具，鈀復(fù)合膜透氫穩(wěn)定性直接決定了氫制備效率。基于此，本文結(jié)合理論實(shí)踐，對鈀復(fù)合膜透氫穩(wěn)定性的研究進(jìn)展做了如下分析。

1 鈀復(fù)合膜透氫機(jī)理

在天然水蒸氣重整過程中，氫的分壓差是鈀復(fù)合膜透氫的主要?jiǎng)恿Γ瑲涿芏葹?.0899g/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣密度，因此，在壓力作用下，氫會(huì)從高壓向低壓不斷滲透，鈀復(fù)合膜透氫遵循“溶解—擴(kuò)散”的機(jī)制，氫在鈀復(fù)合膜中的滲透率，可用以下公式來計(jì)算：

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

從氫滲透本質(zhì)上而言，氫氣滲透主要包括兩個(gè)過程，其一是n=0.5的表明過程；其二是鈀復(fù)合膜內(nèi)部n=1的體相過程。Incident，鈀復(fù)合膜透氫的穩(wěn)定性和速度由這兩個(gè)過程共同決定，為提升透氫的穩(wěn)定性，鈀復(fù)合膜壓力指數(shù)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(fù)合膜，但是當(dāng)溫度降低到300℃以下時(shí)，鈀中存在貧氫相α相和富氫相β相，二者都是標(biāo)準(zhǔn)的面心立方晶格。其中β相吸氫后其原有的結(jié)構(gòu)并不會(huì)發(fā)生任何變化，但點(diǎn)陣常數(shù)會(huì)有所增加。

2 壓力對鈀復(fù)合膜透氫穩(wěn)定性的影響和控制措施

從公式中可以看出，氫在鈀復(fù)合膜中穿透時(shí)主要的推動(dòng)力， 鈀復(fù)合膜兩側(cè)的分壓和壓力指數(shù)對氫穿透鈀復(fù)合膜有重要影響。在相同溫度下，氫穿透鈀復(fù)合膜通量隨著為Pr-Pp線性增長，但n=1時(shí)為氫透的表面看著過程，隨著Pr-Pp線性不斷增長，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w相控制過程[1]。如果保證鈀復(fù)合膜上游和下游的分壓不變，表面控制過程氫透膜推動(dòng)力最大。某研究院通過研究發(fā)現(xiàn)，溫度對壓力指數(shù)n有較大影響。當(dāng)溫度在673K時(shí)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(shí)n=0.6，此時(shí)為體現(xiàn)和表面共同控制過程。

當(dāng)氫分壓增加到一定程度時(shí)，鈀復(fù)合膜上游的氫會(huì)此項(xiàng)飽和狀態(tài)，主要原因是發(fā)生了體相氫飽和。當(dāng)溫度從523K下降到373K時(shí)，壓力指數(shù)從0.5增加到0.77，則表明低溫下，鈀復(fù)合膜下游氫分子脫附阻力增加，使得氫傳質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻鬟^程控制。研究表明，只有鈀復(fù)合膜比較干凈，n=0.5時(shí)才是最嚴(yán)格的體相擴(kuò)散，如果鈀復(fù)合膜受到污染，或者其他非滲透性氣體存在于鈀復(fù)合膜表面，都會(huì)增加氫穿透阻力，從而影響鈀復(fù)合膜透氫的穩(wěn)定性。因此，要嚴(yán)格控制不非滲透性氣體如：一氧化碳、甲烷等氣體進(jìn)入鈀復(fù)合膜。

3 溫度對鈀復(fù)合膜透氫穩(wěn)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(qū)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(jīng)歷了BCC -FCC相變，此時(shí)氫通量會(huì)隨著溫度的升高而降低，完成轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC相以后又隨著溫度的升高而增加。溫度在623K時(shí)，BCC相中氫通量略大于FCC相的氫通量，但當(dāng)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(fù)合膜合的合金相結(jié)構(gòu)，影響鈀復(fù)合膜的透氫穩(wěn)定性。某大學(xué)3名學(xué)生和1名教授聯(lián)合開展各個(gè)不同金屬負(fù)荷而成的膜氫透性的研究，研究結(jié)果表明，但溫度升高到548K時(shí)，氫的活化能為9.5kJ/mol，548K以下時(shí)，活化能為26.4kJ/mol[2]。這些實(shí)驗(yàn)研究均表明，但鈀復(fù)合膜上下游氫分壓力保持不變時(shí)，在低溫下，并且為表面過程控制時(shí)，透氫的推動(dòng)力最大，溫度升高可能使氫透過程變?yōu)橄嘧兛刂疲瑥亩档屯苿?dòng)力。因此，在進(jìn)行鈀復(fù)合膜透氫操作時(shí)，要嚴(yán)格控制溫度，才能提升透氫的穩(wěn)定性。

4 鈀復(fù)合膜厚度和組成對透氫穩(wěn)定性的影響和控制

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

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

5 結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合理論實(shí)踐，分析了鈀復(fù)合膜透氫穩(wěn)定性研究進(jìn)展，分析結(jié)果表明，溫度、鈀復(fù)合膜厚度、鈀復(fù)合膜兩側(cè)氫氣分壓差是影響鈀復(fù)合膜透氫穩(wěn)定性的主要因素。在實(shí)際生產(chǎn)中，必須采用合理有效的方法，對這些影響因素進(jìn)行全面控制，才能大幅度提升鈀復(fù)合膜透氫穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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