Co2、CH4对Pd8Y0.23Ru合金膜氢渗透性能的影响

论文摘要

钯及其合金膜由于其优良的选择性透氢性能而被广泛应用于氢纯化工艺。在ITER（国际热核聚变实验堆）氚氚燃料循环系统中,钯合金膜渗透法是优选的氢同位素分离纯化方法。从聚变燃烧室排出的等离子体灰中,除含有氘氚气体外,还含有He、CO、 CO2、NQ3和CQ4（Q=H, D, T）等杂质气体,这些杂质气体对钯合金膜的氢渗透性能会产生多大程度的影响,其中的影响机制是怎样的?能否通过对某些因素进行控制以降低甚至避免这种影响?都有待进一步的、深入的研究,况且,不同的膜材料、不同的工作条件,相同的杂质产生的影响程度也不同。本文在300℃～450℃范围内,研究了不同浓度CO2和CH4对Pd8Y0.23Ru合金膜氢渗透性能的影响,并探索了影响机制。1.450℃下氢渗透起始阶段,Pd8Y0.23Ru合金膜氢渗透率存在不稳定现象——氢渗透率不断上升直至最后稳定。通过XPS、XRD和SEM对实验前后合金膜的表面成分、相结构和表面形貌分别进行了分析,结果表明,这种现象是由两方面原因造成的：一是氢渗透除去了占据合金膜表面活性解离位点的含C杂质,加快了氢气的吸附和解离,使渗透控速步骤逐渐转变为体扩散过程,使得实验初期出现渗透率持续且较显著的升高；二是氢渗透过程中,合金膜存在再结晶现象,导致晶粒细化,增加了晶界扩散占比,使氢原子体扩散系数变大。2.在300C-450℃范围内,气相中少量CO2的加入就会造成膜氢渗透率的显著降低,CO2浓度越高,氢渗透率降低越多。分析表明,CO2造成氢渗透率降低有三个原因：当CO2浓度较高时（>3%）,聚集在膜表面附近的CO2对氢传质的阻塞作用是氢渗透率降低的主要因素；当CO2浓度较低时（<1%）,CO2在膜表面吸附,占据氢的活性吸附解离点位,是氢渗透率降低的主要因素,并且,温度越低,影响越严重；在长时间渗透过程中,CO2对Pd8Y0.23Ru合金膜还存在毒化作用,使氢渗透率随时间下降,毒化作用随温度的升高而加强,并且,温度越高毒化作用越严重。3.在300℃～450℃范围内,气相中的CH4同样会降低膜的氢渗透率,随着CH4浓度的升高,氢渗透率降低越严重,但相同温度和浓度条件下,CH4造成的氢渗透率降幅较CO2小。在实验所选的CH4浓度范围内（0.5%-4%）,CH4对气相氢向合金膜运动的阻塞作用始终是氢渗透率降低的主要因素；此外,CH4对Pd8Y0.23Ru合金膜不存在毒化作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 钯及其合金膜在氢气纯化中的应用
• 1.2.1 钯-氢体系
• 1.2.2 氢渗透过程
• 1.2.3 氢在钯膜中的扩散
• 1.3 杂质气体对钯及其合金膜氢渗透率影响研究现状
• 1.3.1 CO杂质对氢渗透率的影响
• 2杂质对氢渗透率的影响'>1.3.2 O₂杂质对氢渗透率的影响
• 2和NQ₃杂质对氢渗透率的影响'>1.3.3 N₂和NQ₃杂质对氢渗透率的影响
• 2O杂质对氢渗透率的影响'>1.3.4 烷烃、烯烃等有机气体和H₂O杂质对氢渗透率的影响
• 2杂质对氢渗透率的影响'>1.3.5 CO₂杂质对氢渗透率的影响
• 2S和SO₂杂质对氢渗透率的影响'>1.3.6 H₂S和SO₂杂质对氢渗透率的影响
• 1.3.7 小结
• 1.4 研究内容
• 1.5 研究方法
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 仪器及设备
• 2.3 实验方法
• 第三章 实验结果与分析
• 3.1 引言
• 3.2 Pd-Y-Ru合金膜氧渗透率
• 3.2.1 氢渗透实验
• 3.2.2 Pd-Y-Ru合金膜表而成分分析
• 3.2.3 Pd-Y-Ru合金膜物相分析
• 3.2.4 Pd-Y-Ru合金膜表面形貌分析
• 3.2.5 小结
• 2对Pd-Y-Ru合金膜氢渗透的影响'>3.3 CO₂对Pd-Y-Ru合金膜氢渗透的影响
• 2+1%CO₂渗透实验'>3.3.1 不同温度下H₂+1%CO₂渗透实验
• 2+1%CO₂持续性渗透实验'>3.3.2 不同温度下H₂+1%CO₂持续性渗透实验
• 2对氢渗透率的影响'>3.3.3 不同温度下不同浓度CO₂对氢渗透率的影响
• 2毒化效应的消除'>3.3.4 CO₂毒化效应的消除
• 3.3.5 小结
• 4对Pd-Y-Ru合金膜氢渗透性能的影响'>3.4 CH₄对Pd-Y-Ru合金膜氢渗透性能的影响
• 2+1%CH₄持续性渗透实验'>3.4.1 450℃下H₂+1%CH₄持续性渗透实验
• 1对氢渗透率的影响'>3.4.2 不同温度下不同浓度CH₁对氢渗透率的影响
• 3.4.3 小结
• 第四章 杂质气体阻碍氢渗透的机制
• 4.1 气体杂质对氢气传质的阻塞作用
• 4.1.1 气体互扩散
• 4.1.2 杂质气体对氢气的阻塞作用
• 4.2 杂质气体的吸附效应
• 4.2.1 物理吸附和化学吸附
• 4.2.2 气体吸附动力学
• 4.3 杂质气体使膜中毒
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录