Technologische Überlegungen zur Wasserstofferzeugung

In den zur Erzeugung von Trägergas für GC- und GC/MS-Anwendungen verwendeten

Wasserstoffgeneratoren werden viele Technologien zur Bereitstellung von hochreinem Wasserstoff eingesetzt. Im vorliegenden Artikel besprechen wir verschiedene Methoden, um Wasserstoff zu reinigen. Drei Methoden verwenden PEM (Proton Exchange Membran, Protonaustauschmembran) kombiniert mit mehreren Reinigungstechniken, und die vierte Methode verwendet einen kombinierten Palladium-Elektrolyseur.

PEM/Palladium Diffusion

Die Wasserstoffaufbereitung mithilfe von Palladiummembranen basiert auf einer Diffusion durch Palladiummembrane mithilfe von Druck. Nur Wasserstoff kann durch den Palladium-Diffusor diffundieren. Der Palladium-Diffusor kann verschiedene Formen annehmen, einschließlich einer Gruppe von Rohren, einer Rohrschlange oder einer Membranfolie. Er enthält ein mit Palladium und Silber veredeltes Material mit der einzigartigen Eigenschaft, dass nur einatomiger Wasserstoff sein Kristallgitter durchqueren kann, wenn dieser auf über 300 °C erhitzt wird. Das die Palladiummebran berührende Wasserstoffmolekül dissoziiert in einatomigen Wasserstoff und durchquert die Membran. Auf der anderen Seite der Palladiummebran bildet sich wieder zweiatomiger Wasserstoff.

PEM/Palladium-Diffusionsprozess

Eigenschaften und Vorteile

• Extrem reines Wasserstoffgas ohne Feuchtigkeit oder Sauerstoff. Reinheit von über 99,99999 % möglich.
• Keine routinemäßige Wartung erforderlich.
• Die normale Lebensdauer eines Palladium-Diffusors im Reinigungsgerät beträgt etwa 5 Jahre, in Abhängigkeit der verwendeten Anwendung und Nutzungsintensität (Quelle: http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html)

Probleme

• Bei Verwendung einer Palladium-Silber-Legierung kann eine unvorhergesehene Unterbrechung der Energieversorgung zu einem irreversiblen Schaden am Diffusor führen.
• Die Palladium-Silber-Legierung kann Wasserstoff absorbieren, ein höheres Volumen einnehmen, sich verformen oder brechen.
• Wenn der Diffusor als Ganzes bricht, ist eine Reparatur unwirtschaftlich.
• Es ist unbedingt darauf zu achten, dass die Palladiummebran nur bei vorhandenem Wasserstoff abkühlt, um die Lebensdauer zu verlängern. Die Haltbarkeit kann beeinträchtigt werden, wenn sich die Betriebstemperatur des Aufbereitungsgeräts selbst für kurze Zeit außerhalb des optimalen Bereichs befindet.
• Nachdem der Wasserstoff die „veredelte“ Seite des Diffusors erreicht hat, ist die Zelle aufgrund der Verunreinigungen wie Sauerstoff und Feuchtigkeit des Wasserstoffs auf der „nicht veredelten“ Seite regelmäßig zu reinigen. Dadurch wird eine ausreichende Menge an verfügbaren Wasserstoffmolekülen zur Durchquerung der Palladiummenbran und somit die Diffusoreffizienz sichergestellt. Dieses Verfahren kann kompliziert sein, und wenn das System schlecht konzipiert ist, kann ein Pulseffekt auf die Ausgangsseite des Diffusors bzw. die Strömung aus dem Diffusor wirken.
• Die Reaktion erfolgt bei sehr hohen Temperaturen und kann ein Sicherheitsproblem darstellen, da jegliche Zündquellen in diesem Prozess eine große Gefahr sind. Der Strom, um die Heizpatrone auf diese Temperatur zu erhitzen, ist erheblich und kann bei Problemen einen starken Lichtbogen verursachen.
• Die Palladiummebran im Reinigungsgerät ist etwa alle 5 Jahre auszutauschen.
• Es empfiehlt sich, eine Ersatzzelle vorzuhalten, um Stillstandszeiten zu vermeiden.
• Materialien mit einem größerem CO2-Fußabdruck wie Palladium-Legierungen benötigen Strom, um sie auf Betriebstemperatur zu erhitzen.

Kombination Palladium-Elektrolyseur/Reinigungssystem

Es wird eine Palladium-Anode verwendet. Da Wasser kein effektiver Stromleiter ist, wird ein starkes, wasserlösliches Elektrolyt hinzugefügt, normalerweise 20 % Natronlauge (NaOH). Als Kathode wird ein Palladium-Rohrbündel verwendet, und nur Wasserstoff und seine Isotope sind in der Lage, die Kathode zu durchqueren, um ultrahochreinen Wasserstoff zu produzieren.

Kombination Palladium-Elektrolyseur/Reinigungssystem

Eigenschaften und Vorteile

• Extrem reines Wasserstoffgas ohne Feuchtigkeit oder Sauerstoff.

Probleme

• Die elektrolytische Lösung in der Zelle muss alle 12 Monate erneuert werden. Als Elektrolyt wird NaOH (Natronlauge) eingesetzt, eine ätzende Substanz, die entsprechend vorsichtig zu behandeln ist. Das Austauschverfahren nimmt mindestens 8 Stunden für die Abkühlung und 4 Stunden für die Inbetriebnahme in Anspruch. Alle vorherigen elektrolytischen Lösungen MÜSSEN vorher abgelassen werden.
• Schwefel enthaltende Mischungen und ungesättigte Kohlenwasserstoffe beeinträchtigen die Durchlässigkeit.
• Natronlauge kann Korrosion am Gerät und im Laufe der Zeit Schäden verursachen.
• Die Verwendung eines schlechten Elektrolyts kann zu Schäden an der elektromechanischen Baugruppe der Zelle führen.
• Es besteht die Gefahr, dass der Elektrolyt austritt und Hautverbrennungen verursacht.

PEM/Druckwechseladsorption (PSA) Absorbens

Bei der Druckwechseladsorption wird der Gasfluss abwechselnd durch zwei Säulen geleitet, die mit einem absorbierenden Material gefüllt sind (in Form von Kügelchen), das die Funktion eines molekulares Siebs übernimmt. Während der Wasserstoff durch eine Säule strömt, wird etwas trockenes Gas abgezweigt und durch die andere Säule geleitet. Es steht keine weitere Absorptionskapazität zur Verfügung. An diesem Punkt wird das Adsorptionsmaterial gezwungen, sich zu regenerieren. Durch dieser Vorgang wird das Adsorptionsmaterial in der Säule vollständig regeneriert, sodass kein Austausch des Materials erforderlich ist. Der Behälter steht nun für den nächsten Produktionszyklus bereit, nachdem mit etwas Wasserstoff die Abfallstoffe weggespült wurden. Der Feuchtigkeitsgehalt im produzierten Wasserstoff wurde drastisch reduziert und beträgt nur noch 1 ppm.

PEM/PSA Absorbens-Verfahren

Eigenschaften und Vorteile

• Robuste und regenerative Technologie.
• Keine hohen Temperaturen oder hohen elektrischen Ströme.
• Kontinuierlicher Wasserstofffluss ohne Druckschwankungen oder pulsierende Effekte.
• Der Wartungsaufwand beschränkt sich auf den Austausch der Deionisiererkartusche. Kein Austausch von Trockenmitteln oder gefährlichen Ätzstoffen erforderlich.
• Kurze und einfache Inbetriebnahme- und Abschaltprozeduren.
• Einfacher und zuverlässiger Betrieb.
• Minimaler Energieverbrauch und daher geringere Betriebskosten verglichen mit anderen Wasserstoff-Reinigungsverfahren.
• Eine Untersuchung in der Industrie hat ergeben, dass die Palladium-Technologie den trockensten Wasserstoff produziert, allerdings erfüllt PSA die Anforderungen für GC/MS MS hinsichtlich der Reinheitsempfehlungen von Agilent.

Probleme

• Gegebenenfalls höhere Austauschkosten für die Zelle.
• Das zur Regeneration des Molekularsiebs verwendete Wasserstoffgas entweicht in die Atmosphäre. Allerdings gibt es einige Wasserstoff-Gasgeneratoren auf dem Markt, bei denen der abgelassene Wasserstoff einen Katalysator durchläuft, um ein Entweichen des Wasserstoffs in die Atmosphäre zu vermeiden.

PEM/Verfahren mit Siliziumoxid-Trockenmittel

Eine andere übliche und wegen ihrer Einfachheit häufig angewandte Reinigungsmethode ist die Verwendung von Säulen mit Siliziumoxid-Trockenmittel. Der mithilfe der PEM-Technologie produzierte Wasserstoff strömt dann durch eine Edelstahlkartusche mit Trockenmittel, um die Feuchtigkeit zu entfernen. Die Trockenmittel-Säule besteht in den meisten Fällen aus Siliziumoxidgel-Kügelchen, die im Wasserstoff als Trockenmittel wirken, um hochreinen Wasserstoff zu produzieren, der die industriellen Reinheitsanforderungen erfüllt.

PEM/Verfahren mit Siliziumoxid-Trockenmittel

Eigenschaften und Vorteile

• Robuste und regenerative Technologie.
• Kontinuierlicher Wasserstofffluss ohne Druckschwankungen oder pulsierende Effekte.
• Kontinuierlicher Wasserstofffluss ohne Druckschwankungen oder pulsierende Effekte.

Probleme

• Im Endprodukt ist noch etwas Feuchtigkeit und Sauerstoff enthalten.
• Das Trockenmittel (Siliziumoxidgel) muss ständig überwacht und je nach Nutzungsintensität des Systems regelmäßig ausgetauscht werden. Bei hoher Nutzungsintensität ist das Trockenmittel gegebenenfalls wöchentlich auszutauschen.

Ed Connor DR.SC. ist Spezialist für GC-MS-Anwendungen bei Peak Scientific, Inchinnan Business Park, Schottland, GB. Vor seinem Eintritt bei Peak im Februar 2013 promovierte Ed als Dr.Sc. an der ETH Zürich in der Schweiz, wo er mit GC-MS von Pflanzenfressern induzierte flüchtige pflanzliche Inhaltsstoffe und deren Wechselwirkung mit Nutzinsekten untersuchte. Er trat dann der Universität Zürich bei, wo sich seine Arbeit hauptsächlich auf flüchtige Sammelmethoden und Analysen unter Verwendung von GC-MS und GC-FID konzentrierte. +44 141 812 8100, econnor@peakscientific.com

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