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什么是鈀膜以及鈀膜的用途、原理、步驟

發表時間:2021-11-10 14:12

基本簡介


鈀膜一般是指管式或片式的金屬鈀或鈀合金。其結構又分為兩類:一是自支撐型,一是負載型(又稱復合膜)。

主要用途


自支撐型的鈀膜管或膜片厚度為15-100微米,材質一般是鈀銀或鈀銅合金。主要用于氫氣的分離,也可以用于氫同位素的分離,以及氫同位素之間的分離。自支撐型鈀膜的缺點是強度差、滲透率低、成本高。為解決這一問題,人們將鈀膜沉積在多孔基體上,形成負載型鈀膜(又稱鈀復合膜或復合鈀膜) 。

步驟過程


通常認為,氫氣透過鈀膜的方式遵循溶解--擴散機制,包含以下五個步驟:

(1) 氫分子在鈀膜表面化學吸附,并解離。

(2) 表面氫原子溶解于鈀膜。

(3) 氫原子在鈀膜中從一側擴散到另一側。

(4) 氫原子從鈀膜析出,呈化學吸附態。

(5) 表面氫原子化合成氫分子并脫附。

化學原理


眾所周知,氫與鈀接觸時,會形成氫化鈀。氫原子在鈀膜中溶解后可以形成氫化鈀的固態溶液,而氫在該固態溶液中具有很高的流動性,從而容易在鈀中擴散。氫化物按其結構大致可分成三種類型:(1)離子型氫化物(又稱鹽型氫化物)。例如,堿金屬及堿土金屬鈣、鍶、鋇能跟氫氣在高溫下直接反應生成如NaH、CaH2等。在反應過程中氫奪取金屬原子的價電子形成帶1個單位負電荷的離子H-。這類氫化物都是離子晶體,具有較高的熔點,在熔融狀態下能夠導電。(2)共價型氫化物(又稱分子型氫化物),如HCl、H2S、NH3、CH4等,其熔點、沸點較低。(3)金屬型氫化物(因體積很小的氫原子只占據金屬晶格中的空隙位置,又稱間充型氫化物),這類氫化物的組成不符合正?;蟽r規律,如LaH2.76,CeH2.69、TiH2、LaNi5H6等,它們的晶格中金屬原子的排列基本上保持不變,只是相鄰原子間距離稍有增加,具有類似合金的結構,無固定組成,所以也稱合金型氫化物。

除氫及其同位素之外,其他任何氣體都不能透過鈀膜。因此,鈀膜更多地被用于氫氣的純化,以生產高純氫和超高純氫。純鈀的機械性能差,在溫度低于300度、氫氣壓力快速升高的情況下,存在著氫脆問題。當鈀膜與氫氣接觸時,氫氣溶入鈀金屬中首先形成阿爾法型氫化鈀。如果溫度較低,則可能進一步形成貝塔型氫化鈀并伴隨H/Pd比的快速增高,從而導致鈀金屬的膨脹與晶格位錯并產生應力,當應力過大時,膜會變脆、破裂。為控制H/Pd比的快速增高,一是提高溫度或降低氫氣壓力,從而避免貝塔型氫化鈀的形成。另外,在鈀膜開始工作時,如果氫原料氣增壓過快,也會導致H/Pd比的快速增加,從而造成鈀的過快膨脹與氫脆。與純鈀膜相比,鈀合金膜的H/Pd比受到極大抑制,因此氫脆問題得到解決。

鈀膜的使用溫度一般為300-500攝氏度,高溫有利于提高透氫率,但會縮短膜的使用壽命,導致鈀膜與金屬接頭、焊料間相互擴散等一系列問題。鈀膜不能進行長時間高溫氧化。氫原料氣的某些雜質可導致鈀中毒,使透氫性能下降,甚至可使膜遭到破壞。能引起鈀中毒的物質有:汞、砷化物、鹵化物、油蒸氣、含硫和磷物質以及粉塵等。


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