CN1022097C - 一种纯化氢气用锆基合金 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种纯化氢气用的材料，它们是锆-铝-铪，锆-铝-钛，锆-镍-混合稀土的合金粉末颗粒。这类材料具有不吸或极少吸氢而只吸其中杂质气体的性能，因而可以用于纯化氢气。材料成本低，纯化氢气效果好，不仅可以大流量、高气压、连续纯化氢气，而且长时间纯化后纯化效率不明显下降。工业纯氢气经单级纯化后氢气纯度可达99.999%。

Description

本发明涉及除去氢气中杂质气体等成份的功能材料。
高纯氢气是半导体工艺、高纯金属工业、化学分析、及其它高纯原料生产中广泛使用的重要原料，在近代工业中占有极其重要的地位。但目前用各种方法生产制得的氢气一般都含有氧、氮、一氧化碳、水等杂质，要达到工业实用的氢气还应根据不同用途将氢气进行纯化。常用的氢气纯化法有吸收法、吸附法、低温分离法以及透过法等。它们分别采用不同的材料和装置实现氢气的纯化。吸收法是利用储氢材料如钛铁、钛锰系合金或镧镍系合金具有吸氢和脱氢的特征实现纯化氢气的，先将氢气固溶在合金中形成各类氢化物，在降压升温条件下使氢化物分解释放氢，这个储氢、脱氢是间断的纯化过程，因此不能连续纯化，纯化气体的流量也小。透过法主要是利用钯或钯合金膜管保持在300-500℃的温度下的对原料氢气中的单纯选择的透过性实现纯化氢气。利用这种材料可以得到99.999%以上的高纯氢气。但它的缺点是：（1）材料价格昂贵，（2）材料膜的耐久性差，钯膜长期高温工作易中毒，使纯化作用降低，（3）氢气压力不能过大，否则钯膜管焊接部分易产生裂纹，这就限制了纯化氢气的流量。
本发明的目的是要提出一种氢气纯化用的材料，这种材料不吸或极少吸氢，但具有吸收氢中各种杂质气体如 氧、氮、一氧化碳、二氧化碳、水气、甲烷等气体的能力，因而对通过盛有这种材料粉末密封容器的氢气可以连续不间断的、大流量的进行纯化，而且材料成本远比钯或钯合金膜的低。
本发明提出的氢气纯化用的材料是以锆为基的合金粉。它包括锆、铝以及钛和铪中的一种添加元素。其中铝的含量为10-25（重量%），铪的含量为0.01-10（重量%），钛的含量为5-10（重量%），锆余量。另一种材料包括锆、镍和混合稀土，其中镍的含量为15-25（重量%），混合稀土的含量为2-8（重量%），锆余量。
本发明提出的氢气纯化用材料的生产工艺可以使用金属加工领域中大家所熟知的一般工艺，即先按成份称重配料，用真空电弧炉加热熔化成合金锭，然后粉碎成8-300目的粉末颗粒，制成的粉末经700℃以上活化处理，在高于300℃的工作温度下具有不吸或极少吸氢的性能而可以纯化氢气。
本发明提出的氢气纯化用材料由于具有不吸或极少吸氢的性能，因此可以作为纯化氢气用材料。材料的价格远低于钯或钯合金膜。在纯化氢气时，氢气流量高达500升/小时，氢气压力高达每平方厘米6公斤力，仍具有极好的纯化作用，可实现连续纯化，而且长时间内不明显降低纯化作用，连续纯化1000小时后纯化效果仍为99%。将纯度为99.9%的工业纯氢气经单级纯化后纯度可达99.999%。本发明的材料也可用于纯化氩气、氦气等惰性气体。
用下列实施例进一步说明本发明的实施方式和效果。
例一，使用海绵锆、海绵铪和高精铝为原料，按照锆83、铪0.03、铝16（重量%）比例称重配料、压成电极，在真空电弧炉中加热熔化成合金锭，然后使用破碎机将合金锭破碎为100目的粉末颗粒。需要纯化氢气时，将合金粉装在带氢气出入口的密封容器内，在氢气气氛、800℃温度下活化处理3小时。经活化处理后的合金粉在500℃的工作温度下即可有效地吸收氢气中的杂质气体。将纯度为99.9%的工业纯氢气经单级纯化后，氢气中氧含量小于0.5PPM，露点小于-70℃，纯化效率为99.68%。达到钯膜纯化氢气的效果，氢气流量为每小时500升，压力为每平方厘米6公斤力，连续纯化1000小时后，纯化效率仍达99%以上。
例二，使用例一相同的原料和制造工艺，按照表1所列的配方配料制成粉末颗粒。这类材料的纯化氢气能力基本与例一相同。纯化后的露点列于表1中。
表1
合金粉成份（重量%）    露点
锆    铪    铝    ℃
83    1    16    ≤-72
83    0.5    15.3    ≤-72
84    0.1    15.9    ≤-74
90    0.02    10    ≤-70
75    0.01    25    ≤-70
81    3    16    ≤-70
81    3    16    ≤-70
例三，使用海绵锆、海绵钛和高精铝为原料，按照表2所列的配比配料，按例一相同的工艺制成粉末颗粒，经 900℃3小时活化处理后，在500℃工作温度下，对露点为-40℃的工业氢气的纯化效果与例一基本相同，纯化后的氢气露点列于表2中。这类合金粉的成本较低。
表2
合金粉成份（重量%）    露点
锆    钛    铝    ℃
84    6    10    ≤-70
84    4    12    ≤-72
75    5    20    ≤-70
80    6    14    ≤-70
70    5    25    ≤-70
84    10    6    ≤-70
例四，以海绵锆、电解镍和混合稀土为原料，混合稀土的组成（重量%）为镧La    52，铈Ce    4，镨Pa    10，钕Nd    33，按表3中所列配比配料，采用例一相同的工艺制成粉 末颗粒，经900℃3小时活化处理后，在750℃工作温度下，对露点为-40℃的工业氢气的纯化效果与例一基本相同，纯化后的氢气露点列于表3中。
表3
合金粉成份（重量%）    露点
锆    镍    混合稀土    ℃
83    15    2    ≤-70
76    20    4    ≤-73
72    22    6    ≤-73
70    22    8    ≤-70

Claims (3)

1、一种纯化氢气用锆基合金，其特征为：该合金含有铝和铪，其中铝的含量为10-25(重量%)，铪的含量为0.01-10(重量%)，锆为余量。
2、一种纯化氢气用锆基合金，其特征为：该合金含有铝和钛，其中铝的含量为10-25（重量%），钛的含量为5-10（重量%），锆为余量。
3、一种纯化氢气用锆基合金，其特征为：该合金含有镍和混合稀土，其中镍的含量为15-25（重量%），混合稀土的含量为2-8（重量%），锆为余量。
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