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透氢材料

2023-04-17 20:45自然百科人已围观

[拼音]：touqing cailiao

[外文]：hydrogen penetrating materials

在一定的温度和氢压力差条件下，只让氢气透过的材料，主要用于制取高纯氢（又称超纯氢），纯度可达99.99999％，因而也称氢净化材料。透氢材料在半导体材料、原子能等工业部门及高纯金属、化学分析等科学研究部门中广泛应用。透氢材料中在工业上得到大量实际应用的是钯合金。英国人格雷厄姆(T.Graham)于1866年在实验时发现钯具有很高的吸氢能力。金属钯吸收的氢最多可达本身体积的2800倍，在温度为 300℃以上真空中，可把吸收的氢放出。钯及其合金的透氢功能就是由此特性决定的。纯钯由于吸氢后变形，因而未能得到应用。1956年美国人亨特（J.B.Hunter）制成钯银合金，解决了变形问题，于是出现了使用氢扩散透过钯合金制取超纯氢的技术。以后，日本人山本勇三和後藤良亮等人制成钯银金多元合金，用这种合金制造了超纯氢净化装置。英国、联邦德国、苏联和中国等国家也先后研制出钯合金材料并制造了超纯氢净化装置。

钯同银、金、钌、钇、钐、镝等制成的合金不仅提高了钯的强度，而且还能增强它的透氢性能。实用的钯合金透氢材料有：纯钯和钯银合金，多用作小型纯氢源的超纯氢发生器的阴极材料。钯银、钯银金，以及在钯银金中加入铂、钌、铑、铁、镍的合金，多用于高温热扩散的氢净化装置。含有稀土元素钇或钐等的二元合金，透氢能力和硬度均高，很有发展前途，但因抗氧化性和焊接性能差，尚未在工业中应用。另外，镍和15-24镍金合金虽可透过少量氢气，但因工作温度高（700℃以上），而且透氢速率低，在工业中也很少应用。

钯合金透氢原理和装置如图所示。制取纯氢的过程是：首先将净化装置系统抽空，清除管道系统和装置内部的气体杂质。同时加热钯净化炉，达到400～500℃后停止抽真空，关闭真空阀和连通阀，打开原氢阀门，引入的原氢（具有高的压力）透过钯合金壁进入内表面（即纯氢侧），通过纯氢流量计流出。其他气体（氧、氮等）仍留在原氢侧。原氢流从钯净化炉上部往下流动，杂质气体不断富集，从废氢出口排出。氢透过钯合金时的透氢速率与原氢侧和纯氢侧之间的压力差的平方根成正比，与加热温度呈指数函数关系，与钯合金的厚度成反比。为延长钯合金的使用寿命，加热温度一般在400～450℃之间，不得超过500℃。氢气压力差不应过高，常为6～10kgf／cm²。被净化的原氢中含有一氧化碳和不饱和的烃类，容易使钯合金中毒。因这些物质中的碳渗入钯合金后，在低温时以石墨状态析出，会使钯合金变脆，降低它的透气性能。硫和卤族元素也是有害物质。加热温度如低于310℃，钯合金将吸收大量的氢，发生部分α─→β相转变（若纯钯则全部转变为β相），使合金体积增大11％左右，容易使钯合金产生裂纹而破裂，所以低温时应避免氢与钯合金接触。