Metodi di purificazione dell'idrogeno - Osservazioni sulla tecnologia per la generazione di idrogeno

Osservazioni sulla tecnologia di generazione dell'idrogeno

I generatori di idrogeno che vengono utilizzati per fornire gas vettore per applicazioni GC e GC/MS impiegano diverse tecnologie per produrre idrogeno ad alta purezza. Qui esaminiamo i vari metodi utilizzati per purificare l'idrogeno. Tre usano il PEM (Proton Exchange Membrane/membrana a scambio protonico), combinato con varie tecniche di purificazione, e il quarto usa un elettrolizzatore combinato al palladio.

PEM/Diffusione via palladio

I depuratori di idrogeno a membrana di palladio funzionano tramite la diffusione per effetto della pressione attraverso membrane di palladio. Solo l'idrogeno può passare attraverso il diffusore di palladio. Il diffusore di palladio può avere diverse forme, tra le quali una serie di tubi, un tubo a spirale o una lamina di membrana. Comprende un materiale in lega di palladio e argento che ha la proprietà unica di permettere solo all'idrogeno monoatomico di passare attraverso il suo reticolo cristallino quando riscaldato oltre i 300ºC nominali. La molecola di gas idrogeno che entra in contatto con la superficie della membrana di palladio si dissocia in idrogeno monoatomico e passa attraverso la membrana. Sull'altra superficie della membrana di palladio, l'idrogeno monoatomico si ricombina in idrogeno biatomico.

PEM/ Procedimento per la diffusione via palladio

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Caratteristiche e vantaggi

• Gas di idrogeno estremamente puro, letteralmente privo di umidità o di ossigeno. Si può ottenere una purezza superiore al 99,99999%.
• Non è richiesta alcuna manutenzione ordinaria.
• La normale aspettativa di vita di un diffusore a base di palladio nel purificatore è di circa 5 anni, a seconda dell'applicazione per la quale viene utilizzato e del livello di utilizzo (Fonte: http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html)

Problemi noti

• Nell’utilizzare la lega argento/palladio, improvvise interruzioni di corrente possono procurare danni irreversibili al diffusore.
• La lega di palladio/argento può assorbire idrogeno, aumentare di volume e distorcersi o diventare fragile.
• Se il diffusore dovesse incrinarsi a causa di un foro, la riparazione della cella non è economicamente sostenibile.
• È essenziale che la membrana di palladio non si raffreddi mai in presenza di idrogeno al fine di garantire una maggiore longevità. Questa può essere compromessa quando la temperatura di esercizio del purificatore esce dall'intervallo ottimale, anche per un breve periodo di tempo.
• Dopo che l'idrogeno passa al lato "raffinato" del diffusore, l'idrogeno (ancora contenente impurità come ossigeno e umidità) rimasto sul lato "non raffinato" deve essere spurgato periodicamente dalla cella. Ciò assicura che una quantità sufficiente di molecole di idrogeno sia disponibile al trasferimento attraverso la membrana di palladio, mantenendo l'efficienza del diffusore. Può essere una procedura complicata e, se il sistema è progettato male, può causare un effetto di pulsazione sulla pressione/flusso in uscita dal diffusore.
• La reazione avviene a una temperatura molto alta e ciò può costituire un problema di sicurezza poiché qualsiasi punto di innesco in questo procedimento è un grande rischio. La corrente utilizzata per portare la cartuccia del riscaldatore a questa temperatura è notevole e potrebbe causare un incendio significativo se ci dovessero esserci problemi.
• La necessità di sostituire la membrana di palladio nel depuratore, che può aver luogo ogni 5 anni.
• Potrebbe essere consigliata una cella di riserva per eliminare i tempi di fermo macchina.
• Maggiori emissioni di anidride carbonica poiché la lega di palladio richiede elettricità per portare la stessa alla temperatura di esercizio.

Sistema combinato con elettrolizzatore/purificatore al palladio

Si usa un anodo metallico di palladio e poiché l'acqua non conduce efficacemente la corrente elettrica, si aggiunge un elettrolita potente solubile in acqua, di solito il 20% di idrossido di sodio (NaOH). Un gruppo di tubi di palladio funge da catodo e solo l'idrogeno e i suoi isotopi sono in grado di passare attraverso il catodo producendo idrogeno ad altissima purezza.

Sistema combinato con elettrolizzatore/purificatore al palladio

 

Caratteristiche e vantaggi

• Gas di idrogeno estremamente puro, letteralmente privo di umidità o di ossigeno.

Problemi noti

• La soluzione elettrolitica nella cella deve essere cambiata ogni 12 mesi. L'elettrolita utilizzato è NaOH (idrossido di sodio), che è una sostanza caustica e deve essere maneggiata con cura. La procedura di sostituzione richiede almeno 8 ore per il raffreddamento e 4 ore per la messa in funzione. Tutta la soluzione elettrolitica precedente DEVE essere drenata prima.
• I composti contenenti zolfo e idrocarburi insaturi compromettono la permeabilità.
• L'idrossido di sodio può causare corrosione alle apparecchiature e, col tempo, causare danni.
• L'uso di un elettrolita di qualità scadente potrebbe portare al danneggiamento del gruppo elettrochimico della cella.
• C'è il rischio che l'elettrolita possa fuoriuscire e causare ustioni alla pelle.

PEM/Adsorbimento dell’oscillazione di pressione (Pressure Swing Adsorption)

La tecnologia Pressure Swing Adsorption (adsorbimento dell’oscillazione di pressione) funziona alternando il flusso attraverso due camere che sono riempite con un materiale adsorbente (in forma di grani) che agisce come un setaccio molecolare. Mentre l'idrogeno passa attraverso una camera, un piccolo sfiato prelevato dal gas secco passa nell'altra. Non c'è più capacità di adsorbimento disponibile; a questo punto il materiale adsorbente è costretto a rigenerarsi. Questa azione rigenera completamente il materiale adsorbente nella colonna in modo che non sia necessaria alcuna sostituzione del materiale stesso. Il contenitore è pronto per un altro ciclo di produzione dopo che una piccola quantità di idrogeno prodotto fa defluire i residui. L'idrogeno prodotto ha un contenuto di umidità drasticamente rimosso, appena 1 ppm.

Il procedimento PEM / PSA

Caratteristiche e vantaggi

• Tecnologia solida e rigenerativa.
• Nessuna temperatura elevata né correnti elettriche elevate connesse.
• Un flusso continuo di idrogeno senza fluttuazioni di pressione o effetti di pulsazione.
• Necessità di manutenzione limitate alla sostituzione della cartuccia dello ionizzatore. Non è richiesta la sostituzione di essiccanti né di sostanze caustiche pericolose.
• Procedure di avvio e di arresto veloci e facili.
• Semplicità e sicurezza di funzionamento.
• Consumo minimo di energia e quindi costi operativi più bassi rispetto ad altri metodi di purificazione dell'idrogeno.
• La ricerca di settore suggerisce che l'uso della tecnologia al palladio produrrà l'idrogeno più secco possibile, tuttavia il PSA soddisferà in modo adeguato i requisiti per la GC/MS MS secondo quanto raccomandato dalla tecnologia Agilent in termini di purezza.

Problemi noti

• Il costo di sostituzione delle celle può essere elevato.
• L'idrogeno usato per rigenerare il setaccio molecolare viene rilasciato nell'atmosfera. Ciò nonostante esistono sul mercato dei generatori di gas idrogeno che fanno passare l'idrogeno espulso attraverso un catalizzatore, per eliminare l'idrogeno disperso nell'atmosfera.

PEM/Sistema essiccante a base di silice

L'uso di colonne essiccanti a base di silice è un altro metodo di purificazione comune e diffuso grazie alla sua semplicità. L'idrogeno prodotto con la tecnologia PEM passa attraverso una cartuccia essiccante in acciaio inossidabile per rimuovere l'umidità. La colonna essiccante è più comunemente costituita da sfere di gel di silice che agiscono come agente essiccante nell'idrogeno così da produrre idrogeno ad alta purezza, soddisfacendo i requisiti di purezza per il settore.

PEM / Procedimento essiccante a base di silice

Caratteristiche e vantaggi

• Sostituzione dell'essiccante (gel di silice) e della cartuccia del deionizzatore facile.
• Soddisfa i normali requisiti di purezza richiesti per la GC.
• Vantaggioso da un punto di vista economico rispetto ad altri metodi di purificazione.

Problemi noti

• Spesso rimane comunque un po' di umidità o di ossigeno.
• L'essiccante (gel di silice) deve essere monitorato costantemente e sostituito periodicamente a seconda del livello di utilizzo del sistema. Per livelli d'uso elevati, ciò potrebbe implicare una sostituzione settimanale della cartuccia essiccante.

Il dott. Ed Connor è un application specialist di GC-MS presso PEAK Scientific, Inchinnan Business Park, Scozia, Regno Unito. Prima di entrare a far parte di PEAK nel febbraio 2013, Ed aveva completato il suo dottorato di ricerca presso l'ETH di Zurigo in Svizzera utilizzando la GC-MS per studiare i volatili delle piante indotti dagli erbivori e la loro interazione con gli insetti utili. Si è poi trasferito all'Università di Zurigo dove il suo lavoro si è concentrato principalmente sui metodi di raccolta dei volatili e sulle analisi con GC-MS e GC-FID. +44 141 812 8100, econnor@peakscientific.com