Facteurs technologiques à prendre en compte dans la technologie de production d’hydrogène
Les générateurs d’hydrogène visant à fournir un gaz vecteur aux applications GC et GC-MS utilisent de nombreuses technologies afin de fournir de l’hydrogène haute pureté. Voici les différents procédés utilisés pour purifier l’hydrogène. Trois procédés utilisent une membrane échangeuse de protons associée à diverses techniques de purification, et un quatrième utilise un électrolyseur à base de palladium combiné
Diffusion par membrane échangeuse de protons/palladium
Les purificateurs d’hydrogène à membrane en palladium fonctionnent par diffusion sous pression à travers des membranes en palladium. Seul l’hydrogène peut diffuser à travers le diffuseur en palladium. Le diffuseur en palladium est disponible sous différentes formes, y compris sous la forme d’un ensemble de tubes, d’un tube roulé ou d’une feuille de membrane. Il comprend un alliage palladium-argent ayant la propriété unique de permettre à l’hydrogène monoatomique de passer à travers son réseau cristallin lorsqu’il est chauffé au-dessus de 300 °C. La molécule de gaz hydrogène entrant en contact avec la surface de la membrane en palladium se dissocie en hydrogène monoatomique et passe à travers la membrane. Sur l’autre face de la membrane en palladium, l’hydrogène monoatomique est recombiné en hydrogène diatomique.
Procédé de diffusion par membrane échangeuse de protons/palladium
Caractéristiques et avantages
- Gaz hydrogène extrêmement pur sans aucune humidité ou oxygène. La pureté obtenue peut être supérieure à 99,99999 %.
- Aucune opération de maintenance de routine n’est requise.
- • L’espérance de vie normale d’un diffuseur en palladium dans l’épurateur est d’environ 5 ans en fonction de l’application pour laquelle il est utilisé et de sa fréquence d’utilisation (source : http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html)
Problèmes pouvant être rencontrés
- Lors de l’utilisation d’un alliage argent-palladium, des coupures de courant inattendues peuvent entraîner des dommages irréversibles au diffuseur.
- L’alliage argent-palladium peut absorber l’hydrogène, augmenter en volume et se déformer ou devenir cassant.
- Si le diffuseur se fissure au niveau d’un trou, la cellule n’est pas financièrement viable pour être réparée.
- Afin de garantir une plus longue durée de vie, la membrane en palladium ne doit jamais refroidir en présence d’hydrogène. La durée de vie peut être compromise lorsque la température de fonctionnement du purificateur se trouve en dehors de la plage optimale, même pendant une courte durée.
- Après le passage de l’hydrogène du côté « raffiné » du diffuseur, l’hydrogène (contenant encore des impuretés telles que l’oxygène et l’humidité) qui se trouve du côté « non raffiné » doit être périodiquement purgé depuis la cellule. Cela garantit la disponibilité de quantités suffisantes de molécules d’hydrogène pour le transfert à travers la membrane en palladium, le diffuseur conservant ainsi son efficacité. Cette procédure peut s’avérer compliquée. Si le système est mal conçu, cela peut provoquer un effet d’impulsion au niveau de la pression/du débit de sortie du diffuseur.
- La réaction a lieu à très haute température et peut poser un risque pour la sécurité, toute source d’inflammation dans ce processus représentant un grand danger. Le courant utilisé pour entraîner la cartouche chauffante à cette température est fondamental et pourrait causer un arc important en cas de problèmes.
- La membrane en palladium doit être remplacée dans le purificateur tous les 5 ans environ.
- Une cellule de rechange peut être recommandée afin de supprimer les temps d’arrêt.
- Une plus grande empreinte carbone, l’alliage de palladium nécessitant de l’électricité pour être chauffé à la température de fonctionnement.
Système électrolyseur/purificateur à base de palladium combiné
Une anode métallique en palladium est utilisée. L’eau ne conduisant pas efficacement un courant électrique, un électrolyte fort soluble dans l’eau est ajouté, généralement de l’hydroxyde de sodium (NaOH) à 20 %. Un faisceau de tubes en palladium agit en qualité de cathode, et seuls l’hydrogène et ses isotopes sont capables de traverser la cathode en produisant de l’hydrogène très haute pureté.
Système électrolyseur/purificateur à base de palladium combiné
Caractéristiques et avantages
- Gaz hydrogène extrêmement pur sans aucune humidité ou oxygène.
Problèmes pouvant être rencontrés
- La solution électrolytique dans la cellule doit être remplacée tous les 12 mois. L’électrolyte utilisé est du NaOH (hydroxyde de sodium), une substance caustique qui doit être manipulée avec précaution. La procédure de remplacement prend au moins 8 heures, y compris le temps de refroidissement, plus 4 heures pour le redémarrage. Toutes les solutions électrolytiques précédentes DOIVENT être drainées au préalable.
- Les composés contenant du soufre et les hydrocarbures insaturés altèrent la perméabilité.
- L’hydroxyde de sodium peut causer de la corrosion sur l’équipement, et avec le temps, cela pourrait entraîner des dommages.
- L’utilisation d’un électrolyte de mauvaise qualité pourrait endommager l’ensemble électrochimique de la cellule.
- L’électrolyte risque de fuir, ce qui peut causer des brûlures de peau.
Adsorption par inversion de pression avec membrane échangeuse de protons/adsorbant
La technologie d’adsorption par inversion de pression fonctionne en alternant le débit à travers deux colonnes recouvertes d’un matériau adsorbant (sous la forme de billes) qui agit en qualité de tamis moléculaire. Pendant le passage de l’hydrogène à travers une colonne, une petite purge prélevée dans le gaz sec est envoyée dans l’autre colonne. La capacité d’adsorption maximale a été atteinte. À ce stade, le matériau adsorbant est contraint de se régénérer. Cette action régénère complètement le matériau adsorbant dans la colonne, de sorte qu’aucun remplacement du matériau n’est requis. L’adsorbeur est prêt pour un autre cycle de production après qu’une petite quantité de l’hydrogène produit évacue les déchets. L’hydrogène produit a une teneur en humidité considérablement abaissée, de seulement 1 ppm.
Procédé d’adsorption par inversion de pression avec membrane échangeuse de protons/adsorbant
Caractéristiques et avantages
- Technologie robuste de régénération.
- Pas de températures élevées ou de forts courants électriques associés.
- Un flux continu d’hydrogène sans fluctuations de pression ou effets d’impulsion.
- Exigences de maintenance limitées au remplacement de la cartouche de désionisation. Aucun remplacement d’adsorbants ou de produits caustiques dangereux requis.
- Procédures courtes et faciles pour le démarrage et l’arrêt.
- Simplicité et fiabilité de fonctionnement.
- Consommation d’énergie minimale, avec les coûts d’exploitation inférieurs qui en découlent par rapport aux autres procédés de purification d’hydrogène.
- Les recherches de l’industrie suggèrent que l’utilisation de la technologie au palladium produira l’hydrogène le plus sec possible. Cependant, l’adsorption par inversion de pression satisfera les exigences de la MS GC-MS, conformément aux recommandations de pureté indiquées par la technologie Agilent.
Problèmes pouvant être rencontrés
- Un coût de remplacement des cellules plus important pourrait en découler.
- L’hydrogène gazeux utilisé pour régénérer le tamis moléculaire est évacué dans l’atmosphère. Une gamme de générateurs d’hydrogène est cependant disponible sur le marché. Ils passeront l’hydrogène résiduel à travers un catalyseur afin de supprimer l’hydrogène destiné à être évacué dans l’atmosphère.
Système d’adsorption par membrane échangeuse de protons/silice
L’utilisation de colonnes d’adsorption en silice est un autre procédé de purification courant et répandu en raison de sa simplicité. L’hydrogène produit grâce à la technologie de membrane échangeuse de protons circule ensuite à travers une cartouche d’absorption en acier inoxydable afin de supprimer l’humidité. Généralement, la colonne d’adsorption est constituée de billes de gel de silice qui agissent en qualité d’agent déshydratant dans l’hydrogène afin de produire de l’hydrogène haute pureté, satisfaisant les exigences de pureté de l’industrie.
Processus d’adsorption par membrane échangeuse de protons/silice
Caractéristiques et avantages
- Remplacement facile de l’adsorbant (gel de silice) et de la cartouche de désionisation.
- Satisfait les exigences courantes de pureté requises pour GC.
- Rentable par rapport à d’autres procédés de purification.
Problèmes pouvant être rencontrés
- De l’humidité ou de l’oxygène peuvent persister.
- L’adsorbant (gel de silice) doit être surveillé en permanence et remplacé périodiquement en fonction de la fréquence d’utilisation du système. Pour les fréquences d’utilisation élevées, la cartouche d’absorption doit être remplacée toutes les semaines.
Ed Connor, docteur en sciences, est spécialiste des applications GC-MS chez Peak Scientific, Inchinnan Business Park, Écosse, Royaume-Uni. Avant de rejoindre Peak en février 2013, Ed a obtenu son doctorat en sciences à l’ETH de Zurich, en Suisse. Il a utilisé la GC-MS pour observer les substances volatiles induites par les herbivores et leur interaction avec les insectes utiles. Il a ensuite rejoint l’Université de Zurich où ses travaux ont principalement porté sur les méthodes de collecte de composés volatils et sur les analyses utilisant GC-MS et GC-FID. +44 141 812 8100, econnor@peakscientific.com
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