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)合膜透氫的主要動力，氫密度為0.0899g/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(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，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)并不會發(fā)生任何變化，但點陣常數(shù)會有所增加。

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)合膜中穿透時主要的推動力， 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時為氫透的表面看著過程，隨著Pr-Pp線性不斷增長，會轉(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(xiàn)和表面共同控制過程。

當(dāng)氫分壓增加到一定程度時，鈀復(fù)合膜上游的氫會此項飽和狀態(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，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，此時氫通量會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，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，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(fù)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?yōu)橄嘧兛刂疲瑥亩档屯苿恿ΑＲ虼耍谶M(jìn)行鈀復(fù)合膜透氫操作時，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，在實際操作過程中，也要高度重視這一點。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大幅度降低，當(dāng)鈀復(fù)合膜的厚度為1μm、溫度為571K時，中強(qiáng)度的污染物會對鈀復(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，在實際操作時，必須根據(jù)鈀復(fù)合膜實際情況，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)：

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

[2]林定標(biāo)，唐春華，李慧，孫劍，徐恒泳.多通道型高效鈀復(fù)合膜在超高純氫氣提純的應(yīng)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(dǎo)報，2016，30（19）：63-69.