CN108147365A - 一种氢气分离及纯化的方法 - Google Patents

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Abstract

一种氢气分离及纯化材料，由稀土元素与其它金属元素组成，可采用真空感应熔炼制备，制备工艺简单。该纯化材料能对氢气选择性吸附，排斥其它杂质，因此能通过吸附氢气后脱附的方式实现氢气的纯化，可在室温下进行纯化，而且能一次将氢气纯度提高到99.999％及以上，适合于为电子信息、半导体、LED、光伏发电及燃料电池等产业提供高纯氢气。

Description

一种氢气分离及纯化的方法
技术领域
本发明涉及一种氢气分离及纯化材料，由稀土元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)或铼(Re)与其它金属元素(如Fe,Ni,Co,Mn,Al,Cu,Si,Zr,Ti,V,Sn,Ce,Y,B中的一种或几种元素)组成，对氢气具有选择吸附性，排斥其它杂质，该纯化材料采用吸附氢气后脱附的方式实现氢气的纯化，具备优良的吸氢容量及稳定性。
背景技术
近年来，氢气作为一种洁净高效的二次能源载体，具有清洁、无污染、效率高、应用形式多等诸多优点，而且能够缓解当前化石能源所带来的环境污染和温室效应等重大问题，因此，氢能作为二十一世纪最具发展潜力的能源载体得到了广泛认可。目前，工业氢气首先通过天然气、煤和轻烃生产含氢混合气体(75～80％H2)，随后通过深冷分离或变压吸附分离，氢气进行提纯，然而深冷分离和变压吸附分离技术均具有能耗高和装置投资大的缺点。另外，现有的金属钯管氢气纯化技术，由于应用强度的要求，金属钯管的厚度至少要100-200微米，这不仅消耗大量的贵金属钯，而且使得其透氢量很低，其装置投资极其昂贵、分离能耗很高，制氢成本和制氢规模无法满足未来规模化应用的需求。目前生产多晶硅所用的超纯氢气(99.9999％)几乎全部来源于昂贵的水电解工艺。因此，目前亟需开发低成本、高效氢气纯化技术，降低氢气纯化装置投资和生产成本。
由稀土元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)或铼(Re)与其它金属元素(如Fe,Ni,Co,Mn,Al,Cu,Si,Zr,Ti,V,Sn,Ce,Y,B中的一种或几种元素)组成的吸氢材料，通过吸附氢气后脱附的方式实现氢气的纯化，可在室温下对氢气进行纯化，一次纯化可将氢气纯度提高到99.999％及以上，吸氢容量大，稳定性好，而且操作简单，相比于现有的氢气纯化技术，其装置投资和生产成本都大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种氢气分离及纯化材料，由稀土元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)或铼(Re)与其它金属元素(如Fe,Ni,Co,Mn,Al,Cu,Si,Zr,Ti,V,Sn,Ce,Y,B中的一种或几种元素)组成，能选择性吸附氢气，排斥其它杂质，通过先吸附氢气后脱附的方式实现氢气的纯化，能在室温下实现氢气的纯化，能一次将氢气纯度提高到99.999％及以上。
本发明采用的具体技术方案为：
本发明涉及的合金型氢气纯化材料是由稀土元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)或铼(Re)与其它金属元素(如Fe,Ni,Co,Mn,Al,Cu,Si,Zr,Ti,V,Sn,Ce,Y,B中的一种或几种元素)组成，该合金中的各合金总含量为100mol％。
有益效果：
(1)该材料具有氢气纯化效果好的明显优点，一次可将氢气纯度提高到99.999％以上。
(2)该材料工作温度低、制备工艺简单、成本低廉的明显优点，与传统的氢气纯化方法相比明显降低装置投资和生产成本。
(3)该材料能选择性吸附氢气，排斥其它杂质气体，通过先吸附氢气再脱附的方式进行氢气纯化，操作简单，便于放大生产。
合金可采用真空感应熔炼制备，然后粉末化处理即可，制备工艺简单。该纯化材料能对氢气选择性吸附，排斥其它杂质，因此能通过吸附氢气后脱附的方式实现氢气的纯化，可在室温下进行纯化，而且能一次将氢气纯度提高到99.999％及以上，适合于为电子信息、半导体、LED、光伏发电及燃料电池等产业提供高纯氢气。
具体实施方式
实施例1
所用吸氢材料为AB5型吸氢合金粉末，粒径40目，其组成为La0.8Nd0.2Ni2Co0.3。将50g该合金材料与少量石英砂一起放置于不锈钢反应器中，抽真空后进行吸放氢实验：
(1)活化：将氢气通入反应器进行三次吸放氢实验，所用气体为普氢(纯度为99.9％)，温度为25℃，操作压力为1-20bar。
(2)加氢：将普氢通入反应器，逐步增大压力到20bar,压力增加速度为1bar/min，待压力稳定为20bar时，停止供氢。
(3)放氢：首先将系统压力降低到18bar释放出一定量的氢气，然后逐渐降低压力到1bar，压力降低速度为1bar/min，每隔5分钟用色谱检测释放氢气的纯度，达到99.999％。
实施例2
所用吸氢材料为AB5型吸氢合金粉末，粒径30目，其组成为La0.9Nd0.2Ni4.5Co0.5Sn0.25。将30g该合金材料与少量石英砂一起放置于不锈钢反应器中，加热到40℃，抽真空后进行吸放氢实验：
(1)活化：将氢气通入反应器进行三次吸放氢实验，所用气体为普氢(纯度为99.9％)，温度为40℃，操作压力为1-20bar。
(2)加氢：40℃下将75mol％H2/25mol％CO混合气通入反应器，逐步增大压力到20bar,压力增加速度为1bar/min，待压力稳定为20bar时，停止供氢。
(3)放氢：保持温度为40℃，将系统压力降低到18bar释放出一定量的氢气，然后逐渐降低压力到1bar，压力降低速度为1bar/min，每隔5分钟用色谱检测释放氢气的纯度，达到99.5％。
实施例3
所用吸氢材料为AB5型吸氢合金粉末，粒径20目，其组成为MmNi3.7Al0.5Fe0.7Cu0.1(Mm＝La,Ce,Pr,Nd)。将50g该合金材料与少量石英砂一起放置于不锈钢反应器中，加热到40℃，抽真空后进行吸放氢实验：
(1)活化：将氢气通入反应器进行三次吸放氢实验，所用气体为普氢(纯度为99.9％)，温度为40℃，操作压力为1-20bar。
(2)加氢：40℃下将85mol％H2/5mol％CO2/10mol％N2混合气通入反应器，逐步增大压力到20bar,压力增加速度为1bar/min，待压力稳定为20bar时，停止供氢。
(3)放氢：保持温度为40℃，将系统压力降低到18bar释放出一定量的氢气，然后逐渐降低压力到1bar，压力降低速度为1bar/min，每隔5分钟用色谱检测释放氢气的纯度，达到99.3％。

Claims (6)

1.一种氢气分离及纯化的方法，其特征在于：该氢气纯化材料为合金材料粉末，将该合金材料置于含氢气的气氛中进行氢气吸附，然后将吸附氢气后的合金材料进行氢气脱附和氢气收集；合金材料由稀土元素与其它金属元素组成，该合金中的稀土元素含量为30-95wt.％；稀土元素为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)或铼(Re)中的一种或二种以上；其它金属元素为Fe,Ni,Co,Mn,Al,Cu,Si,Zr,Ti,V,Sn,Ce,Y,B中的一种或二种以上。
2.如权利要求1所述的氢气纯化的方法，其特征在于：氢气吸附条件：温度25-100℃，压力0.5-40bar；氢气脱附条件：温度25-300℃，压力0.5-10bar。
3.如权利要求1或2所述的氢气纯化的方法，其特征在于：含氢气的气氛中氢气的体积含量5-99％，除氢气之外的其它气体如N2,He,CO2,CO等中的一种或二种以上。
4.如权利要求1所述的氢气纯化的方法，其特征在于：
优选合金组成为La-Ni-Mn-Co-Al和优选含量La 35.5wt.％,Ni 49.5wt.％,Mn4.95wt.％,Co 8.00wt.％,Al 2.05wt.％。
5.如权利要求1或4所述的氢气纯化的方法，其特征在于：
粉末粒径为20-100目。
6.如权利要求1所述的氢气纯化的方法，其特征在于：
该纯化材料在室温下对氢气进行纯化，且一次纯化可将氢气纯度提高到99.999％及以上。
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