JPS58104605A - Separation of hydrogen from gas mixture and hydrogen diffusing membrane used therein - Google Patents

Separation of hydrogen from gas mixture and hydrogen diffusing membrane used therein

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JPS58104605A
JPS58104605A JP21475982A JP21475982A JPS58104605A JP S58104605 A JPS58104605 A JP S58104605A JP 21475982 A JP21475982 A JP 21475982A JP 21475982 A JP21475982 A JP 21475982A JP S58104605 A JPS58104605 A JP S58104605A
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JP
Japan
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hydrogen
membrane
melt
alloy
palladium
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JP21475982A
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Japanese (ja)
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フリ−ドリツヒ・ベ−ル
ルドルフ・シユルテン
ウアルテル・ウアイリツヒ
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Kernforschungsanlage Juelich GmbH
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D59/00Separation of different isotopes of the same chemical element
    • B01D59/10Separation by diffusion
    • B01D59/12Separation by diffusion by diffusion through barriers
    • B01D59/14Construction of the barrier
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by the membrane
    • C01B3/505Membranes containing palladium

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガス混合−をパラジウム合金で一次側が積層
されている非多孔性の膜を介して高温で拡散させること
Kよりこのガス混合物から水素を分離する方法およびこ
の方法を実施する丸めの、水素流入側においてパラジウ
ム合金で積層されてお砂かつ水素を選択に透過させる非
多孔性の材料から成る水素−拡散膜に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention describes a method for separating hydrogen from a gas mixture by diffusion at high temperature through a non-porous membrane laminated on the primary side with a palladium alloy, and The present invention relates to a hydrogen-diffusion membrane made of sand and a non-porous material which is selectively permeable to hydrogen and laminated with a palladium alloy on the hydrogen inlet side, carrying out the method.

水素をパラジウム或を通して拡散させることKより(ガ
ス混合物或いは電解液からその陰極による析離と関連し
て)分離することは公知である。t′#:、、ガス供給
側のみもしくはガス混合物で負荷される儒においてのみ
パラジウム或いはパラジウム合金が積層されている水素
透過性の他の材料から成る拡散壁も既に公知である(米
m特許第440ス571号参照)、このような−次側の
薄い(flL材上の)パラジウム合金層の例として、6
096以下のムy、ll1lC1G〜50−のム一を含
んでいなければならないパラジウム銀の層があげられる
。拡散を促進するにはヒのような壁は約820υにも達
する−特に150〜260℃が良い一高温で使用しなけ
ればならない。更に、特に−次側と二次側の少くとも約
1バールの、特に約100パール以下の圧力差が維持さ
れなければならない。
It is known to separate hydrogen from K by diffusion through palladium (in conjunction with its cathodic deposition from the gas mixture or electrolyte). t'#: Diffusion walls made of other hydrogen-permeable materials are already known, on which palladium or palladium alloys are laminated only on the gas supply side or only when loaded with a gas mixture (U.S. patent no. 440s No. 571), as an example of such a thin next-side palladium alloy layer (on the flL material).
The palladium silver layer must contain a value of 096 or less, and a value of 111C1G to 50-. To promote diffusion, the heat-like wall must be used at a high temperature of about 820 υ - preferably 150-260°C. Furthermore, a pressure difference of at least about 1 bar, in particular not more than about 100 par, between the inlet side and the outlet side must be maintained.

このようなパラジウム或いはパラジウム合金で積層され
九膜は、長時間にわたる高温での作業os、ガス供給側
のパラジウム層或いはパラジウム合金層の主膜物質内へ
の拡散が行われ。
The nine membranes laminated with palladium or palladium alloys are subjected to long-term operation at high temperatures, and the palladium layer or palladium alloy layer on the gas supply side is diffused into the main membrane material.

したがってパラジウム積層O保鏝作用と解噛作用とがお
ろそかとなつ九や、無効となつ九すすると云う欠点を持
っている。
Therefore, the palladium laminated O has the disadvantage that the protective action and the defusing action are either neglected or ineffective.

こう云つ九ことから本発明にあっては、水素を拡散させ
る方法および、この方法の丸めの高温にあってもt九長
時間にわ九っても使用で自る水素−拡散膜を提供するこ
とである。
For these reasons, the present invention provides a method for diffusing hydrogen and a hydrogen-diffusion membrane that can be used even at high temperatures and for long periods of time using this method. It is to be.

この目的の丸めに開発され九本発1’iKよる膜の特徴
とするとヒろは、鋼、銀もしくはイツトリウム−が合金
パートナ−としてパラジウム合金積層内に≧45原子−
一のCuもしくは≧60原子−一のムlもしくは≧7原
子−一の!の量で存在していること、および膜自体がそ
の都度の合金パートナ−Cu、ム−4しくけIをパラジ
ウム積層と少くとも平衡状11にある濃度でもって有し
ていることである。
The characteristics of the 1'iK film developed for this purpose are that steel, silver or yttrium are present as alloy partners in the palladium alloy stack with ≥45 atoms.
1 Cu or ≧60 atoms - 1 Mul or ≧7 atoms - 1! and that the membrane itself has a concentration of the respective alloying partner Cu, Mu-4-4, in a concentration that is at least 11 in equilibrium with the palladium stack.

この膜にあって、膜物質の平衡濃度、特に鋼。This membrane has an equilibrium concentration of membrane substances, especially steel.

鎖、イツトリウムのうちの一つの金属による飽和によシ
、パラジウムを含有し九積層の組成物が時間の経過にあ
っても変ることがない、即ち濃度が所定の最低濃度を下
まわることがない。
Due to saturation with one of the metals of the chain, yttrium, the composition of the nine layers containing palladium does not change over time, i.e. its concentration does not fall below a predetermined minimum concentration. .

少くとも上記の量でCu、ムtもしくは!と合金に調製
されるパラジウムは上記の構成によって実際に表面に1
係留”される。これに反して、積層に鋼もしくは銀或い
はイツトリウムが少くなるとパラジウムの運動可能性が
増大し、パラジウムは同様に壁内に拡散してしまう。拡
散壁の?1/Cu−積層は少くとも45原子−の鋼を書
まなければならず、この場合合金が45〜72原子−の
Cuと残りがPaから成るのが有利である。
Cu, Mut or! at least in the above amount! Palladium prepared into an alloy with
On the other hand, if there is less steel or silver or yttrium in the stack, the movability of palladium increases and it likewise diffuses into the wall. must represent a steel with at least 45 atoms, in which case it is advantageous for the alloy to consist of 45 to 72 atoms of Cu and the balance Pa.

銀を會んでいる積層は50〜−.75原子のムlを含−
、:に んでいる、イツトリウムを5*  でいる積層の場合は
イツトリウム割合はPa/Y−合金の7.1〜16.4
原子−である。このようなP(1/Y一層は水素にとっ
て’?IK好部会な透過性を持つ点で優れている。
The number of layers that meet silver is 50~-. Contains 75 atoms of mul-
,: In the case of a laminated layer containing 5* yttrium, the yttrium ratio is 7.1 to 16.4 for Pa/Y-alloy.
It is an atom. Such a P(1/Y layer) is excellent in that it has excellent permeability for hydrogen.

タンタルおよび/又はニオブ内での水素および水素の同
位体の拡散率が理論的に高いことから、これらの物質が
最も適当な主膜物質であると考えられる。鋼および銀も
これらの物質内では殆んど溶解せず、これらと共に混合
結晶を形成する。パラジウム自体はこれらの物質内に溶
解しはするが、鋼もしくは鎖と上記の量で合金K11m
1され九パラジウム合金は壁表面において何等変化を受
けずに留まる。これらのパラジウム合金は公知のような
高い水素−拡散係数と好都合な水1AlIF解性を持っ
ている。被技術分野における設備にあっては鋼は合金パ
ートナ−として鍋よりも優れている。
The theoretically high diffusion rates of hydrogen and hydrogen isotopes within tantalum and/or niobium make these materials the most suitable main membrane materials. Steel and silver also dissolve poorly in these substances and form mixed crystals with them. Although palladium itself is dissolved in these materials, alloy K11m in the above amounts with steel or chain
The palladium alloy remains unchanged on the wall surface. These palladium alloys have a known high hydrogen-diffusion coefficient and favorable water 1AlIF dissolution. Steel is superior to pots as an alloying partner in technical equipment.

実際O実験にあって、約55原子饅の鋼および45J[
子−〇バ:、ラジウムから成りかつガス側、・’、’、
1lll: でタンタル上におよびニオブ上K(これらはそれぞれ作
業温度で鋼で飽和されている)設けられ友釣1.5μm
の厚さの層は10日間約590υで燃焼し九−組成に何
等変化がなかつ九ことが確認され丸、極めて長い作業時
間にあってもP(1−含有表面層とタフタル或いはニオ
ブ(主物質としての)関に金属間の拡散現象が生じない
ようにする丸め、とのような膜は約180°〜約450
℃で使用される。
In fact, in the O experiment, about 55 atoms of steel and 45J [
Child-〇ba:, consists of radium and gas side, ・',',
1lll: K on tantalum and on niobium (each of which is saturated with steel at working temperature) with 1.5 μm
It was confirmed that the layer with a thickness of rounding to prevent the diffusion phenomenon between metals from occurring at the angle of 180° to 450°.
used at °C.

長時間にわ九る実験にあって、〜14mQPICu(4
0原子s:60原子96)テ積層され400υでCuで
飽和され九1關の厚さのタンタル板を4000時間40
0℃で真空中に放置し九、引続いて行つ九金属組織学的
試験により、積層され九拡散−の構造が未だ完全く無傷
のままであることがわかつ九。
During the long-term experiment, ~14mQPICu (4
0 atoms s: 60 atoms 96) A tantalum plate with a thickness of 91 cm, which was laminated with Cu and saturated with Cu at 400 υ, was heated for 4000 hours.
After being left in vacuum at 0° C., subsequent metallographic tests revealed that the stacked and diffused structure still remained completely intact.

?−0拡散壁を造る丸め、1■のタンタル坂をO,S、
Sの鋼と、次いで0.5μのパラジウムで蒸着処理し丸
。膜自体の飽和は長時間にわ九る実験時間間隔の嬉−0
時間域において自然に行われ丸。しかし、実験開始時に
短期間幾分高い温度(約400℃以下)K加熱し、作業
温度での基礎物質の飽和と積層の同時点の相互の拡散を
違するのが有利である。
? -0 rounding to build a diffusion wall, 1■ tantalum slope O,S,
S steel and then evaporated with 0.5μ palladium. The saturation of the membrane itself increases over a long period of time.
A natural circle in the time domain. However, it is advantageous to heat to a somewhat higher temperature (below about 400 DEG C.) for a short period of time at the beginning of the experiment, in order to differentiate the saturation of the base materials at the working temperature and their mutual diffusion at the same moment of lamination.

ガス側の表面を更に附加的に公知方法で(INIK金属
によ抄)、水素吸収とトリチウム吸収が一次ガス混合物
の吸収され九ガスによって阻止されないように活性化す
るのが有利である。通常の活性化に関しては、W、 V
ielstich 着[11r@nnstoffels
m@nte (核燃料)J 1965年V@rlag 
Ch@mie社発行、68頁以下の記載を参照され丸い
It is advantageous if the gas-side surface is additionally activated in a known manner (INIK metal cutting) in such a way that hydrogen absorption and tritium absorption are not inhibited by the absorbed gases of the primary gas mixture. For normal activation, W, V
ielstich arrival [11r@nnstoffels
m@nte (nuclear fuel) J 1965 V@rlag
Published by Ch@mie, see the description on pages 68 and below.

更に、成る種の合金、即ちこの合金が同様ガス側KCu
/Pi一層を備えている場合、ガス相の−n〒R(高温
ガス炉)において適用されている極めて小さなH,/H
T−分圧にとって例えば純粋のタンタルよりもより適当
な水素看過特性とトリウム透過特性によ抄使用でする合
金が存在していることも知られている。更にこれらの合
金は、高温により附加的な活性を必要としないと云う利
点を持って−る。
Additionally, an alloy of the type, i.e., this alloy is also used on the gas side KCu
/Pi layer, extremely small H, /H applied in gas phase -n〒R (high temperature gas reactor)
It is also known that alloys exist which have better hydrogen and thorium permeability properties for T-partial pressure than, for example, pure tantalum. Furthermore, these alloys have the advantage that they do not require additional activation at high temperatures.

約400′o以上の高温の場合、バナジウムおよびチタ
ン以外に高い割合いでタンタルおよび/又はニオブを含
んでいてかつ附加的にできる限抄高度に鋼或いは場合に
よって銀と合金処理された合金を膜として使用するのが
有利である。
At high temperatures above about 400'oC, films containing a high proportion of tantalum and/or niobium in addition to vanadium and titanium, and which can additionally be made of highly selective steels or alloys optionally alloyed with silver, are used as membranes. It is advantageous to use.

これらの合金は米国特許JI4121L178号に記載
されている耐腐食性および耐S!性により優れていてか
つ少くともSO型重量1特に約68〜70重量−のタン
タルを含んでいる合金と類、似している。そのほかこれ
らの合金は1o〜3゜Xt−のチタン、5〜1o重量−
のバナジウムと0.5〜3重量−のニッケルを含んでい
る。ニッケルを添加する代やに、これらの合金を鋼で飽
和しても、これらの合金が脆弱現象を示すことがないこ
とが見出され丸。
These alloys have the corrosion and S! It is similar to alloys having superior properties and containing at least SO-type tantalum by weight 1, especially about 68-70 wt. In addition, these alloys include titanium of 1o~3°Xt-, 5~1owt-
of vanadium and 0.5 to 3 wt. of nickel. It has been found that these alloys do not exhibit any brittleness phenomena even when saturated with steel, as compared to the addition of nickel.

この合金のタイプは特K、高温原子炉にありて約450
〜6oo℃の温度において一次循壌ガス混合物から(極
めて低ム分圧で) Hv′HTを分離するための膜物質
とし、て使用するのが有利である0例えば Ti O,
5,TIL”O,IS、Cu Ool 、 V @、1
原子の合金をアルゴンの下で約2000t)でfII融
した。この場合、添加した鋼の僅かな部分は吸収されず
、蒸発した。この合金は水素に対して^い溶解性を持ち
、しかも300℃或いはそれ以上でも1バール以下の圧
力範囲にあって水素化物相を形成することがない、溶解
性tm定し九結果、例えば400℃−等温にあって以下
の価が得られた: P  10−’   10−’   10−’   1
0−’500℃−等温にあっては以下の愉が得られ九二
n  10−”   3.10−”  9.10−” 
 2,5.10−’(上表中nは金属原子当りの溶解し
友水嵩原子の数、Pは一平衡で測定したー水素分圧/b
t−表わす。) この合金は水素に対して例えば純粋の金属メンタル、ニ
オブ或いはバナジウムよ)も一段階j。
The type of this alloy is special K, which is found in high-temperature nuclear reactors and has approximately 450
Advantageously used as membrane materials for the separation of Hv'HT (at very low partial pressures) from primary circulating gas mixtures at temperatures of ~60° C. e.g. TiO,
5, TIL”O, IS, Cu Ool, V @, 1
The atomic alloy was fII-fused at approximately 2000 t) under argon. In this case, a small portion of the added steel was not absorbed but evaporated. This alloy has a high solubility in hydrogen and does not form a hydride phase at 300°C or above in the pressure range below 1 bar, e.g. °C - isothermal and the following values were obtained: P 10-'10-'10-' 1
At 0-'500℃-isothermal, the following pleasures can be obtained.
2,5.10-' (in the above table, n is the number of dissolved hydrophilic bulk atoms per metal atom, P is the hydrogen partial pressure measured in one equilibrium/b
t-represent. ) This alloy is also a step above hydrogen (for example, pure metal mental, niobium or vanadium).

だけ高い溶解陵を持っている。水素−拡散係数は僅かで
あるンiの水素−拡散係数は金属割合いをそれぞれ変え
ることにより透過率が吏に改善される。600℃での灼
熱処理による試験にあってこれまでガス側のCu7/P
L−被嶺層とこの膜物質問において金属間拡散は線間で
きなかつ友。
Only has a high dissolution ridge. Although the hydrogen diffusion coefficient is small, the transmittance can be greatly improved by changing the metal ratio. In tests using scorching heat treatment at 600°C, Cu7/P on the gas side
In this layer and this layer, intermetallic diffusion cannot occur between lines.

上記の合金内に含まれているタンタルおよび僅かな割合
いのチタンも25重量%以下のニオブで置換えることが
できる。を九−核技術の目的ではそう有利とは云えない
が一銅の割合いを銀で置換えることも可能である。
The tantalum and small proportion of titanium contained in the above alloys can also be replaced with up to 25% by weight of niobium. Although it is not so advantageous for the purpose of nuclear technology, it is also possible to replace a proportion of copper with silver.

酸化現象に基〈拡散膜の作用の低下を抑えるKは、膜自
体として41に連続的に再生される内部の水素化物を含
有している溶融物を(中間層として)備え九三層構造が
設けられる。このような三層構造の場合、上に詳しく記
載し丸裸式の二つの拡散膜の間においてこれら二つの膜
の間形成される細い間隙内にアルカリ金属水素化物或い
はアルカリ土類金属水素化物を含む溶融物が存在してい
る0例えば4IKリチウム水素化物をそのハロゲン化物
と共に共融溶融物として利用するのが有利である。24
モ一ル%のLi1iとリチウムヨード化物の混合物は5
91℃で溶融し、30モルラのLiHとリチウム臭素化
物の混合物は454℃で、54モルシのLiHとの相当
する塩素化物を含んでいる混合物は496℃で溶融する
。これらの溶融物は公知のようK M?)に対して高い
イオン電導性を持ち、同時にこの場合可能&限り薄い一
約80〜200μm、特に約100μmの厚みの一膜が
兼時間の作業にあっても内部において酸素を含まずに貿
まるように鋤く、この実施形は特に、−次側のガス混合
物が水嵩を数バールの分圧で含んでいる場合に有利であ
る。二次側における純粋な水素に対するガス混合物内の
圧力差は両膜および溶融物を介して行われる水素透過の
丸め駆動出力となる。水素化物を含有している溶融−一
中間層0厚みは約10〜数100711m、%に50〜
100111mmである。
Based on the oxidation phenomenon, K, which suppresses the deterioration of the effect of the diffusion membrane, has a 93-layer structure with an internal hydride-containing melt (as an intermediate layer) that is continuously regenerated as the membrane itself. provided. In the case of such a three-layer structure, the alkali metal hydride or alkaline earth metal hydride is contained in the narrow gap formed between the two completely exposed diffusion membranes described in detail above. It is advantageous to use a melt of 4IK lithium hydride together with its halide as a eutectic melt. 24
The mixture of Li1i and lithium iodide has a mole % of 5
A mixture of 30 molar LiH and lithium bromide melts at 91°C, a mixture containing the corresponding chloride with 54 molar LiH melts at 496°C. These melts are known as KM? ), and at the same time, in this case, a film as thin as possible, about 80 to 200 μm, especially about 100 μm thick, can be used without containing oxygen even during hours of work. This embodiment is particularly advantageous if the downstream gas mixture contains water at a partial pressure of several bars. The pressure difference in the gas mixture versus pure hydrogen on the secondary side results in a rounding driving force for the hydrogen permeation through both membranes and the melt. The thickness of the molten intermediate layer containing hydride is about 10 to several 100711 m, 50 to %
It is 100111 mm.

添付し良薬1図は銅、#もしくはイツトリットで飽和し
九膜愉質2,2′上にパラジウム−合金層1および溶融
物−中間層3を備え丸上記のような拡散WXO構造の概
略図である。
The attached figure 1 is a schematic diagram of a diffused WXO structure as shown above, saturated with copper, # or yttrite, comprising a palladium-alloy layer 1 and a melt-intermediate layer 3 on a nine-layer substance 2,2'. be.

パラジウム鋼積層もしくはバッジウム銀積層屯しくけパ
ラジウムイツトリット積層を備え九Cu、ムfもしくは
Iで飽和し膜物質から成る本発明による膜を拡散による
水素の分離に実際に適用した場合、特に高温で作業を行
う際および例えば原子炉の一次冷却ガスにおいて存在す
るよりな一軽水素或いはその同位体の形で−極めて僅か
な量の水素を分離する際、種々の困難が生じて来る。な
ぜなら、−次或いは二次のガス室の水蒸気或いは酸化作
用を行う化合物を含む僅かな不純物が長時間に−は諸種
の障害、例えば拡散に対して相応して抑制作用を行う或
いは拡散性11に不利に作用する酸化物層形成物が形成
されるからである。
Practical application of membranes according to the invention consisting of a membrane material saturated with Cu, Muf or I with a palladium steel layer or a badium silver layer or a palladium yttrite layer, particularly at high temperatures, Various difficulties arise in carrying out the work and in separating the very small amounts of hydrogen - in the form of lighter hydrogen or its isotopes, which are present, for example, in the primary cooling gas of a nuclear reactor. This is because - over a long period of time - small amounts of impurities, including water vapor or oxidizing compounds in the secondary or secondary gas chambers, can cause various disturbances, such as having a correspondingly suppressive effect on diffusion or reducing the diffusivity. This is because oxide layer-forming products are formed which have a disadvantageous effect.

したがって、Pd1rでもしくはPdCuでもしくはp
ayで積層され九膜と立次側でアルカリ金属および/又
はアルカリ土類金属を含む溶融物と接触させるのが有利
であ・意。この溶融物の水素に対する親和力は積層され
た膜および一次側の水素結合パートナ−の親和力よシも
大きく、かつこの溶融物はアルカリ水素化物および/又
祉アルカリ土類金属水素化物を&!濁液の形で威−は溶
解された形で形成する。
Therefore, in Pd1r or in PdCu or in p
It is advantageous to contact the nine films laminated with ay on the vertical side with a melt containing an alkali metal and/or an alkaline earth metal. The affinity of this melt for hydrogen is greater than that of the stacked membranes and the hydrogen bonding partners on the primary side, and this melt has an affinity for alkali hydrides and/or alkaline earth metal hydrides &! In the form of a suspension, it is formed in dissolved form.

アルカリ金属および/又はアルカリ土類金属を含む溶融
物は、壁を介して行われる水素透過の速度への過当な有
効な作用を伴った水素低下を二次@において、並びにカ
ルシウムの存在によって阻止できる水素化物形成−例え
ばジルコニウム水素化物−による或いはアルカリ金属に
よシ抑制できる広範曲なタンタル水素化物形成による壁
物質の電器化を抑制するように働く。同時にこの溶融物
は壁の出口側において例えば酸化層のような抑制層が形
成するのを阻止する。
Melts containing alkali metals and/or alkaline earth metals can be inhibited by the presence of calcium in the secondary @, as well as by the presence of calcium, with an excessively effective effect on the rate of hydrogen permeation through the wall. It serves to suppress electrification of the wall material by hydride formation, such as zirconium hydride, or by a wide variety of tantalum hydride formations, which can be suppressed by alkali metals. At the same time, this melt prevents the formation of inhibiting layers, such as oxidized layers, on the outlet side of the wall.

溶融物を選択する際吏に、水素に対するその親和力が水
素の一次1111における形成パートナ−(即ち、一般
に主としてH2もしくはHTとして1 。
A factor in selecting a melt is its affinity for hydrogen as its primary forming partner (i.e., typically primarily H2 or HT).

一次ガス中に存在□゛している水素自体)の親和力よ)
も大きくなるように留意する。
Affinity (hydrogen itself present in the primary gas)
Make sure that the size is also large.

本発明による水素のガス混合物からの分離は%に1拡散
壁が熱交換器の交換壁の様式で、特に版型熱交換器の様
式で設けられてお9、この壁内で水素から分離されるガ
ス混合物と拡散する水素を吸収する溶融物とが特に相互
に向流で一次側と二次餞において拡散壁に沿って運動し
、この場合溶融物は例えば薄い層となって狭い間隙を二
次情で流れ、水素で負荷され丸後適尚な再生装置を経て
案内され、傭−して再び戻される。
The separation of hydrogen from the gas mixture according to the invention is achieved by providing a diffusion wall in the form of an exchange wall of a heat exchanger, in particular in the form of a plate heat exchanger, in which the hydrogen is separated from the gas mixture. The gas mixture that absorbs the diffusing hydrogen and the melt that absorbs the diffusing hydrogen move in particular in countercurrent to each other along the diffusion wall in the primary and secondary layers, the melt then passing, for example, in a thin layer across a narrow gap. It is then charged with hydrogen and then guided through a suitable regenerator and recycled again.

添付し九第2図は二次餉で境界を接する溶融物4とガス
流入個にパラジウム−合金層1を備え九拡散2の構造の
概略図である。
Figure 2 of the accompanying drawings is a schematic representation of the structure of a diffusion 2 with a palladium alloy layer 1 on the melt 4 and gas inlet bounded by a secondary plate.

以下に本発明の若干の実施例を説明する。Some embodiments of the invention will be described below.

1、 水素に対する親和力に基いて、約1mb〜約so
bom2−分圧領域で約り80℃〜約450℃1%に約
220℃〜350℃の温度で膜或いは拡散壁としてPl
/Cu−或いは可能ならPa/ムf−でも積層されたタ
ンタル或いはニオブを、二次匈の溶融物として周辺温度
にあって液状のかつ窒素および炭素のような不純物を含
んでいてはならないナトリウム−カリウム合金を使用す
る。カリウム水素化物とナトリウム水素化物が生成物と
して懸濁液の形で得られる。
1. Based on affinity for hydrogen, about 1 mb to about so
Pl as a film or diffusion wall at a temperature of about 220°C to 350°C to 1% in the bom2-partial pressure region from about 80°C to about 450°C.
tantalum or niobium layered with /Cu- or, if possible, Pa/muf-, as a secondary melt with sodium- which is liquid at ambient temperature and must be free of impurities such as nitrogen and carbon. Use potassium alloy. Potassium hydride and sodium hydride are obtained as products in the form of a suspension.

膜物質の腐食現象を招く酸素割合いは約1モル−繁以下
の置割合いでMal内に溶解するマグネシウムを添加す
ることによってゲッテルンすることができる。酸素吸収
はリチウムによシ、或いはリチウム水素化物含有溶融物
で行うことができる。これに関して、この場合金属ジル
コニウム内に溶解している酸素すら溶出することが知ら
れている。
This can be achieved by adding magnesium dissolved in the Mal at a proportion of oxygen that leads to corrosion phenomena of the membrane material, or a proportion of less than about 1 molar mass. Oxygen absorption can be carried out with lithium or with a melt containing lithium hydride. In this regard, it is known that even the oxygen dissolved in the metallic zirconium is eluted in this case.

上記の条件下で多数の10−6モルH27CIL” a
の水素流密度が達せられる。
Under the above conditions a large number of 10-6 mol H27CIL” a
A hydrogen flow density of .

2 約10−’t)〜約10−”t)Oガス混合物の水
素分圧領域で約500°〜450℃、特に約1550℃
の温度では、溶融状のリチウムが水素およびその同位体
の受与体と°して適している。膜物質を1項におけるよ
うに選択する。HTR−一次循Il系から水素(Hもし
くはT)を分離するには十分に純粋な同位体7 Liを
使用しなければならない、以下に第5項において費用上
適切な構成を記載する。
2 about 500° to 450°C, especially about 1550°C in the hydrogen partial pressure region of the O gas mixture
At temperatures of 30°C, molten lithium is suitable as an acceptor for hydrogen and its isotopes. The membrane material is selected as in section 1. HTR - In order to separate hydrogen (H or T) from the primary circulating Il system, sufficiently pure isotope 7 Li must be used; a cost-effective configuration is described below in section 5.

五 膜物質としてTψi/Vおよび場合によってはニオ
ブとの銅の上記のタイプの合金を使用し、ガス側におい
て0.5〜約20j111%%に約1〜5声鵬OC(1
/pH一合金で積層する。#12項と同じ圧力範囲で、
しかし約450℃〜600℃、特に約SOO℃〜550
℃の温度で水素およびその同位体に対する親和力がリチ
ウムよ)大きい溶融物を二次側で使用する。カルシウム
が溶解するアルカリ土類金属の溶融物を使用するのが有
利である。例えば66原子シパリウムを含みかつ公知の
ように558℃で溶融し、多量のカルシ?ムを溶解する
ことのできるバリウムとマグネシウムとの混合物を使用
する。カルシウム−マグネシウム溶融、耀・ 物(27原子うの脚を1′み、44!℃で液状で)を使
用することもできる。しかも三物質系B&/Me/CI
ILは水素およびその同位体に対する親和力の点で好都
合である。
5 Using an alloy of the above type of copper with Tψi/V and optionally niobium as the membrane material, on the gas side from 0.5 to about 20j111%% to about 1 to 5 OC (1
/pH-1 alloy is laminated. In the same pressure range as #12,
However, about 450℃ to 600℃, especially about SOO℃ to 550℃
A melt with a greater affinity for hydrogen and its isotopes (than lithium) at a temperature of °C is used on the secondary side. It is advantageous to use melts of alkaline earth metals in which calcium is dissolved. For example, it contains 66 atoms of cyparium, melts at 558°C as is known, and contains a large amount of calciparium. A mixture of barium and magnesium is used which is capable of dissolving the gum. Calcium-magnesium molten liquid (27 atoms per 1' in liquid form at 44!C) can also be used. Moreover, the three-substance system B&/Me/CI
ILs are advantageous in their affinity for hydrogen and its isotopes.

もちろん、(4Iに従来の過用分野にあって)リチウム
を含有しているtss項の膜を水素受与体として約10
0鳳す以下の水嵩分圧でかつ約600℃以下の温度で作
業することは可能である。上記の実施形の膜/溶融物相
互の輪の組合せも可能であ夛、したがっていずれの適用
ケースにあっても適当な選択を行うことができる。
Of course, a tss term membrane containing lithium (in the field of conventional overuse of 4I) can be used as a hydrogen acceptor for about 10
It is possible to work at water bulk partial pressures below zero and at temperatures below about 600°C. Combinations of the membrane/melt rings of the embodiments described above are also possible, so that suitable choices can be made for each application case.

本発明によるパラジウム合金で積層し九拡散膜は轡に外
匈に指向し九−次側とsim物を備え丸内方の二次側と
を備え九二重膜構造とすることも可能である。
It is also possible to have a nine-diffusion membrane laminated with the palladium alloy according to the present invention, which has a nine-layer membrane structure with a nine-layer side oriented toward the outer wall and a secondary side with a sim material on the inner side. .

もちろん、水素(もしくはその同位体)を溶融物から分
離することも第1項、第2項および第3項の実棒例に属
する。−濁状一で得られ九水累化物をアルカリ金属溶融
物或いはi九アルカリ土類金属溶融物から篩にかけると
とによ)分離することも公知である。
Of course, the separation of hydrogen (or its isotopes) from the melt also belongs to the practical example of items 1, 2 and 3. It is also known to separate the nonaqueous complex obtained in a cloudy state from an alkali metal melt or an alkaline earth metal melt by sieving.

更に、懸濁物を強力に加熱し、こうして生成するガス状
の水素およびその同位体を熱的な分解によシ得るととも
可能である。
Furthermore, it is possible to intensely heat the suspension and to thermally decompose the gaseous hydrogen and its isotopes thus formed.

他の公知の方法の特徴は、懸濁液を−例えば塔の様式で
一溶融状のハロゲン化物に供給し、これにより水素化物
を溶出し、水素化物を取られ九アルカリ金属およびアル
カリ土類金属を残90値置に戻す点にある。このハロゲ
ン化物/水素化物溶融物は公知のように電解液で処理す
ることができ、これによ多陰極にアルカリ金属もしくは
アルカリ土類金属が保留され、一方水素およびその同位
体は陽極においてガス状で得られる。
Another feature of the known process is that the suspension - for example in the form of a column - is fed to the molten halide, whereby the hydride is eluted, and the hydride is taken up and the alkali metals and alkaline earth metals are removed. The point is to return the price to the remaining 90. This halide/hydride melt can be treated in a known manner with an electrolyte, whereby the alkali or alkaline earth metals are retained at the polycathode, while the hydrogen and its isotopes are retained in gaseous form at the anode. It can be obtained with

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による水素−拡散膜の構造の概略図、 第2図は本発明による水素−拡散膜の他の実施形の構造
の概略。 図中符号は 1・・・パッジラム−合金層 2.2′・・・膜物質 5・・・溶融物中間層 4・・・溶融物
FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of a hydrogen-diffusion membrane according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of the structure of another embodiment of the hydrogen-diffusion membrane according to the present invention. Symbols in the figure are 1...Padgelam-alloy layer 2.2'...Membrane material 5...Melt intermediate layer 4...Melt

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、 パラジウム合金で一次側が積層されている膜を介
して高温での拡散によシガス混合物から水素を分離する
方法において、アルカリ金属および/又はプルカリ土類
金属を含有しかつ水素に対する親和力が一次側の壁物質
および水素形成パートナ−の親和力よ)大島くかつアル
カリ水素化物および/又はアルカリ土類金属水素化物を
懸濁の形で或いは溶解され良形で形成する溶融物を二次
側で膜と接触させることを%黴とする上記方法。 2、am物としてアルカリ金属溶融物、特にMaK−混
合物或いは液状リチウムを使用する、前記特許請求の範
囲第1項に記載の方法。 & 溶融物としてアルカリ土類金属或いはこれを含んで
いる混合物および特にバリウムとマグネシウムから成り
かつカリウムが30fi子%O量で一緒に溶解している
共融溶融物を使用する、前記特許請求の範−第1項に記
載O方法。 表 形成さり九本素化合物を溶融物から簡分けして分離
fるか或いは水素を熱によシ分解して金属に再門する、
特許請求の範囲第1項から第5項までのうちのいずれか
−りに記載の方法。 翫 生成し九本素化合物を特に溶融物電解によng製し
九ハ四ゲン化物Ss物内に溶解するととによ如分離する
、特許請求の範囲第1項から第3項までOうちのいずれ
か−クに記載の方法。 4 水素流入側においてパラジウム合金層を備え九選択
的に水素を透過する非多孔性の物質から成る、特許請求
の範囲第1項に記載の方法に使用する水素−拡散膜にお
いて、銅、#Iもしくはイツトリウムが合金パートナ−
としてパラジウム合金積層内に≧45原子%auもしく
は≧50原子−ムfもしくは≧7原子−!の量で存在し
ていること、および膜自体がそれぞれの合金パートナ−
Cu、ムfもしくはYをパラジウム合金と少くとも平衡
状態で存在している濃度で有している、上記水素−拡散
膜。 l 膜自体が銅もしくは銀もしくはイツトリウムで飽和
され九物質から成る、前記特許請求の範囲第6項に記載
の水素−拡散膜。 & 膜自体がタンタル−および/又はニオブを基礎とし
友物質から成る、前記特許請求の範囲第6項或いは箒7
項に記載の水素−拡散膜。 曵 膜自体が特に銅で飽和され九10〜50重量−のチ
タン、3〜10重量−のバナジウム、0〜25重量−の
ニオブおよび少くとも50重、t*のタンタルの合金か
ら成る、前記特許請求の範囲第8項に記載゛の水素−拡
散膜。 :、1 1α 膜自体が鋼で飽和されていてかつ20〜25重量
−のチタン、5〜7.5重量−のバナジウム、0〜25
重量−のニオブおよび少くと450重量−のタンタルの
合金から成る、前記特許請求の範囲第9項に記載の水素
−拡散膜。 1t  膜自体がアルカリ金属水素化物および/又はア
ルカリ土類金属水素化物を形成する或いはこれらを含む
溶融物の形の内部中間層を備え九三層構造を備えている
、特許請求の範囲第5項から第10項までのうちのいず
れか一つに記載の水素−拡散膜。 12、  中間層がリチウム水素化物をそのハロゲン化
物と共に共融混合物の形で含んでいる溶融物によって形
成されている、前記特許請求の範囲第1項に記載の水素
−拡散膜。 1五 水素流出側に附加的にパラジウム鋼合金層もしく
はパラジウム銀−合金層もしくはパラジウムイツトリウ
ム−合金層を備え九、特許請求の範61.4項から41
3項までのうちのいずれか−ラ1に記載の水素−拡散膜
。 ′(
[Claims] 1. A method for separating hydrogen from a gas mixture by diffusion at high temperatures through a membrane laminated on the primary side with a palladium alloy, containing alkali metals and/or plucarious earth metals and The melt has a large affinity for hydrogen (the affinity of the primary wall material and the hydrogen-forming partner) and forms alkali hydrides and/or alkaline earth metal hydrides in suspension or in good shape. The above method in which mold is brought into contact with the membrane on the secondary side. 2. The process according to claim 1, wherein the ammonium is an alkali metal melt, in particular a MaK mixture or liquid lithium. & using as melt an alkaline earth metal or a mixture containing it and in particular a eutectic melt consisting of barium and magnesium, in which potassium is dissolved together in an amount of 30% O. - Method O described in paragraph 1. Table 9.Each elemental compound formed is simply separated from the melt, or the hydrogen is thermally decomposed to form a metal.
A method according to any one of claims 1 to 5. Claims 1 to 3 of the claims claim 1 to 3 above, in which the produced nine-element compound is produced especially by melt electrolysis and is separated as if dissolved in the nine-ha tetragenide Ss compound. Any one of the methods described in (h). 4. A hydrogen-diffusion membrane used in the method according to claim 1, comprising a palladium alloy layer on the hydrogen inflow side and made of a non-porous material that selectively permeates hydrogen. Or yttrium is an alloy partner
as ≧45 at% au or ≧50 atoms-mf or ≧7 atoms-! in the palladium alloy stack! of each alloy partner and that the membrane itself
The hydrogen-diffusion membrane described above has Cu, Mu, or Y in a concentration that is at least in equilibrium with the palladium alloy. 1. A hydrogen-diffusion membrane according to claim 6, wherein the membrane itself is saturated with copper, silver or yttrium and consists of nine substances. & the membrane itself consists of a tantalum- and/or niobium-based material.
Hydrogen-diffusion membrane as described in Section. The membrane itself is particularly saturated with copper and consists of an alloy of 910 to 50 wt. titanium, 3 to 10 wt. vanadium, 0 to 25 wt. niobium and at least 50 wt. tantalum. A hydrogen-diffusion membrane according to claim 8. :, 1 1α The membrane itself is saturated with steel and contains 20 to 25 wt. titanium, 5 to 7.5 wt. vanadium, 0 to 25 wt.
10. A hydrogen-diffusion membrane as claimed in claim 9, consisting of an alloy of 100% by weight niobium and at least 450% by weight tantalum. 1t The membrane itself has a nine-layer structure with an internal intermediate layer in the form of a melt forming or containing alkali metal hydrides and/or alkaline earth metal hydrides. 10. The hydrogen-diffusion membrane according to any one of items 1 to 10. 12. Hydrogen-diffusion membrane according to claim 1, wherein the intermediate layer is formed by a melt containing lithium hydride together with its halide in the form of a eutectic mixture. 15. A palladium steel alloy layer, a palladium silver alloy layer, or a palladium yttrium alloy layer is additionally provided on the hydrogen outflow side. 9. Claims 61.4 to 41
The hydrogen-diffusion membrane according to any one of items 3-1. ′(
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