Способ изготовления мембраны для выделения атомов и ионов водорода из газовых смесей

Изобретение относится к физической химии, газовому анализу, вакуумной технике и может быть использовано для выделения атомов и ионов водорода, а также его изотопов из газовых смесей. Способ изготовления мембраны для выделения атомов и ионов водорода из газовых смесей на основе металлов 5-й группы Периодической системы Менделеева, ниобия, ванадия, тантала и их сплавов друг с другом, в котором производят удаление приповерхностного карбида путем термической обработки мембраны в кислороде при температуре мембраны от 1400°С до 1550°С и давлении кислорода от 10-3 Па до 10-2 Па. Технический результат - повышение стабильности работы мембраны. 2 ил.

 

Изобретение относится к физической химии, газовому анализу, вакуумной технике и может быть использовано для выделения атомов и ионов водорода, а также его изотопов из газовых смесей, их детектирования на существенно превосходящем фоне других газов, включая молекулярный водород, а так же для откачки вакуумных систем, в которых атомы и ионы водорода или его изотопы служат рабочим газом.

Одним из наиболее распространенных способов выделения водорода из газовых смесей в промышленности в настоящее время является использование мембранного способа выделения водорода с помощью различного рода мембран, селективно пропускающих водород.

В частности, известно техническое решение «Высокопроизводительные мембраны цилиндрической формы, покрытые палладием» (Palladium coated high-flux tubular membranes) (см. [1] патент Канады СА №2249126, M. кл. B01D 53/22, опубл. 02.04.2000 г.), представляющее собой композитную мембрану, которую изготавливают из ниобия, тантала, ванадия или других непалладиевых металлов и покрывают тонким слоем палладия как на внутренней, так и на наружной поверхности.

Известное техническое решение предназначено для выделения молекулярного водорода из газовых смесей, что связано с наличием на поверхности мембраны защитно-каталитического палладиевого покрытия, обладающего высоким коэффициентом абсорбции молекулярного водорода.

В результате проникающие сквозь мембрану атомы и ионы водорода или его изотопы не могут быть идентифицированы на превосходящем фоне проникающего сквозь мембрану молекулярного водорода.

Известен также способ выделения атомов и ионов водорода из газовых смесей (см. [2] а.с. SU №1074815 «Способ выделения атомов и ионов водорода из газовых смесей» опубл. 23.02.84, бюл. №7), содержащих молекулярный водород, путем пропускания атомов и ионов водорода через металлическую мембрану при повышенной температуре, отличающийся тем, что, с целью обеспечения эффективного проведения процесса при высоких температурах, в качестве металлической мембраны используют мембрану из ниобия.

Известное техническое решение предназначено для выделения атомов и ионов водорода из газовых смесей, содержащих молекулярный водород. Разделение атомов и ионов водорода, с одной стороны, и молекул водорода, с другой стороны, обусловлено тем фактом, что ниобий является химически активным металлом и интенсивно взаимодействует с содержащимися в атмосфере кислородом, окисью углерода и другими газами. В результате поверхность ниобия покрыта плотными слоями неметаллических соединений, создающими на поверхности высокий энергетический потенциальный барьер, практически не проницаемый для молекулярного водорода. С другой стороны, атомы и ионы водорода, обладая энергией, существенно превосходящей этот потенциальный барьер, свободно входят в решетку материала мембраны и в результате диффузии проникают сквозь нее, что и обеспечивает радикальную разницу в проникновении молекулярного водорода и атомов и ионов водорода. Этот способ [2] является наиболее близким к заявленному изобретению, и принят в качестве прототипа.

Недостатком известного технического решения является нестабильность работы мембраны в условиях интенсивного взаимодействия с энергетическими водородными частицами, что приводит к радикальному падению проницаемости атомов и ионов водорода сквозь мембрану.

Техническим результатом заявленного способа является повышение стабильности работы мембраны в условиях воздействия на ее поверхность потока высокоэнергетических частиц водорода.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления мембраны для выделения атомов и ионов водорода из газовых смесей на основе металлов 5-й группы Периодической системы Менделеева, ниобия, ванадия, тантала и их сплавов друг с другом, в соответствии с заявленным изобретением, проводят термическую обработку мембраны в кислороде при температуре мембраны от 1400°С до 1550 С и давлении кислорода от 10-3 Па до 10-2 Па и удаляют приповерхностный карбид.

Достижение указанного технического результата приведенными выше отличиями заключается в следующем.

Как было указано выше, отличие в проницаемости атомов и молекул водорода, с одной стороны, и молекул водорода, с другой стороны, определяется наличием на поверхности металлов 5-й группы высокого потенциального барьера, который радикально, на порядки величины подавляет абсорбцию (и, соответственно, проникновение) молекулярного водорода, не препятствуя в то же время проникновению высокоэнергетических (атомов и молекул) водородных частиц. Это явление получило название сверхгазопроницаемости металлов по энергетическим водородным частицам (см., например, [3] A.I. Livshits, М.Е. Notkin and А.A. Samartsev, Physico-Chemical Origin of Superpermeability - Large-ScaleEffectsofSurfaceChemistryon "Hot" Hydrogen Permeation and Absorption in Metals, J. Nucl. Mater. 170 (1990) 74-94).

При взаимодействии энергетических водородных частиц с поверхностью мембран происходит распыление поверхности мембран и, соответственно, разрушение поверхностного потенциального барьера, что приводит к существенному уменьшению проницаемости по атомам и ионам водорода - см. Фиг. 1, график 1. Распыление барьера при рабочих температурах мембраны выше 400°С может компенсироваться сегрегацией на поверхность растворенного в толще мембраны кислорода, что может приводить к восстановлению поверхностного потенциального барьера и поддержанию явления сверхгазопроницаемости. Однако на практике наблюдается именно снижение проникновения атомов и ионов водорода сквозь мембрану при их взаимодействии с поверхностью мембраны. Специально поставленные авторами настоящей заявки исследования показали, что причина наблюдаемых процессов связана как с разрушением поверхностного потенциального барьера в результате взаимодействия поверхности с энергетическими водородными частицами, так и с нарушением условий его восстановления, происходящего путем поверхностной сегрегации кислорода. Это, со своей стороны, объясняется наличием приповерхностного слоя карбида металлов, который неизбежно появляется в приповерхностной области карбидообразующих металлов (в частности, металлов 5-й группы) при их производстве. Слой карбида металла препятствует сегрегации кислорода на поверхность, и в то же время сам карбид металла не создает поверхностного потенциального барьера. Таким образом, при разрушении поверхностного потенциального барьера его восстановление не происходит в связи с наличием слоя карбида.

Образующийся слой карбида металла является термически чрезвычайно стойким и не может быть удален простым нагреванием мембраны до высоких температур: температура испарения карбида может быть выше температуры испарения самого металла. Кроме того, при взаимодействии с атомами и ионами водорода происходит распыление поверхностного слоя кислорода, а затем распыляется сам металл, так как коэффициент распыления карбида существенно ниже.

Для устранения наблюдаемого негативного эффекта в предлагаемом техническом решении производят удаление приповерхностного слоя карбида путем термической обработки мембраны в кислороде при температуре от 1400°С до 1550 С и давлении кислорода от 10-3 Па до 10-2 Па.

При этом происходит взаимодействие кислорода с карбидом с образованием окиси углерода, СО, которая откачивается из вакуумной установки, в которой находится мембрана. В результате удаления приповерхностного слоя карбида восстанавливается процесс сегрегации растворенного в мембране кислорода на поверхность и образование поверхностного потенциального барьера, способствующего проникновению атомов и ионов водорода и препятствующего проникновению молекул водорода.

Выбор диапазона температур, при котором производят удалением приповерхностного слоя карбида металла, определяется следующими соображениями. Критическая температура начала разложения карбида ниобия на ниобий и окись углерода - 1400°С. При повышении температуры скорость реакции декомпозиции NbC возрастает и при температуре порядка (1500-1550)°С достигает величины порядка 1018 частиц СО с квадратного сантиметра в секунду при давлении кислорода 5×10-3 Па. Дальнейшее повышение температуры процесса уже не приводит к существенному увеличению скорости образования окиси углерода.

Выбор диапазона давлений кислорода также определяется необходимостью создания оптимальных условий удаления карбида. При давлении кислорода порядка 10-3 Па происходит интенсивное образование окиси углерода. Повышение давления выше величины 10-2 Па оказывается неэффективным.

Осуществимость предлагаемого технического решения продемонстрирована на Фиг. 1, на которой представлена зависимость величины относительной проницаемости энергетических частиц (ионов) водорода от их энергии.

На Фиг. 1 показаны:

Jo и JE, проникающие сквозь мембрану потоки водорода с нулевой энергией и с энергией Е, соответственно,

график 1 соответствует проникновению водородных частиц сквозь мембрану в не устойчивом к распылению состоянии, наблюдаемом до удаления карбида,

график 2 соответствует проникновению водородных частиц сквозь мембрану в устойчивом к распылению состоянии, наблюдаемом после удаления карбида.

Как видно (см. график 1), имеет место радикальное падение проницаемости по энергетическим частицам в случае их взаимодействия с мембраной в состоянии не устойчивом к распылению, связанное с разрушением поверхностного потенциального барьера.

Ситуация существенно меняется после удаления приповерхностного карбида и перехода мембраны в состояние, устойчивое к распылению - график 2, когда в результате удаления приповерхностного слоя карбида металла восстанавливается механизм сегрегации кислорода на поверхность и поверхностный потенциальный барьер. В результате наблюдается стабильная работа мембраны - независимость ее проницаемости от энергии водородных частиц в широком диапазоне энергий.

Реализация предлагаемого способа может быть осуществлена с помощью устройства, схема которого представлена на Фиг. 2:

1 - мембрана, разделяющая два вакуумных объема,

2 - входной объем,

3 - выходной объем,

4 - внешнего источника света (ксеноновая лампа с параболическим зеркалом) для нагрева мембраны,

5 - оптическое стекло.

Способ изготовления мембраны для выделения атомов и ионов водорода реализуют следующим образом. Во входной и выходной вакуумные объемы устройства напускают кислород до давления 10-3-10-2 Па. Давление кислорода измеряют масс-спектрометром (MS). С помощью внешнего источника света 4 через оптическое стекло 5 мембрану 1 нагревают до температур в диапазоне (1400-1550)°С. Происходящее при этом образование окиси углерода наблюдают с помощью масс-спектрометра MS. Процесс прекращают при прекращении выделения окиси углерода, что означает полное удаление приповерхностного слоя карбида. Это обеспечивает достижение указанного технического результата - повышение стабильности работы мембраны в условиях воздействия на ее поверхность потока высокоэнергетических частиц водорода.

Способ изготовления мембраны для выделения атомов и ионов водорода из газовых смесей на основе металлов 5-й группы Периодической системы Менделеева, ниобия, ванадия, тантала и их сплавов друг с другом, отличающийся тем, что производят удаление приповерхностного карбида путем термической обработки мембраны в кислороде при температуре мембраны от 1400°С до 1550°С и давлении кислорода от 10-3 Па до 10-2 Па.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к катализатору для разложения углеводородов, способу его получения и к батарее топливных элементов. Катализатор содержит соединение, содержащее по меньшей мере никель и алюминий, и металлический никель, имеющий диаметр частиц от 1 до 25 нм, в котором энергии связи между металлическим никелем и соединением, содержащим по меньшей мере никель и алюминий, в катализаторе составляют от 874,5 до 871,5 эВ (Ni 2p1/2), от 857 до 853 эВ (Ni 2p3/2) и от 73,5 до 70 эВ (Al 2p), и энергия активации катализатора составляет от 4×104 до 5×104 Дж/моль.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ извлечения фторида водорода из его водных растворов включает восстановление воды углеродом при повышенной температуре.

Изобретение относится к области переработки углеродсодержащих материалов. Проводят газификацию биомассы.

Изобретение относится к водородной энергетике. Устройство содержит полый цилиндр, в котором ближнее торцевое отверстие цилиндра закрыто крышкой, а дальнее торцевое отверстие цилиндра открыто, один мощный энергетический источник, функционально соединенный с полым цилиндром и способный генерировать высокоэнергетическое поле с температурой между 20000 и 40000°F внутри высокоэнергетического поля во внутреннем пространстве полого цилиндра, средство подачи в высокоэнергетическое поле во внутреннем пространстве полого цилиндра водяного пара.

Изобретение относится к способу производства водорода посредством парового риформинга нефтяной фракции, в котором используют горячий газ-носитель. Паровой газ, получаемый в рамках способа, полностью используют для упомянутого способа.

Изобретение относится к насытителю для добавления водяного пара к газу и системе риформинга природного газа, снабженной таким насытителем. Насытитель содержит путь движения потока, по которому течет первая текучая среда, первый теплообменный блок, который вызывает теплообмен между первой текучей средой и второй текучей средой, второй теплообменный блок, который вызывает теплообмен между третьей текучей средой и первой текучей средой, после того как первая текучая среда прошла через первый теплообменник, увлажняющий блок для добавления воды к первой текучей среде, текущей по пути движения потока на сторонах выше по потоку от первой текучей среды из первого теплообменного блока и второго теплообменного блока, и транспортировочную линию для транспортировки третьей текучей среды после теплообмена во втором теплообменном блоке из второго теплообменного блока на сторону выше по потоку от первой текучей среды из первого теплообменного блока таким образом, чтобы третья текучая среда протекала по пути прохождения потока в качестве первой текучей среды.

Изобретение относится к производству водорода и этана из метана. Способ селективного получения водорода или этана включает выбор подходящей температуры, составляющей свыше 300˚С, при которой металлический катализатор и исходный газ, содержащий метан, дают продукт, имеющий регулируемое отношение водород/этан.

Изобретение относится к усовершенствованному способу оксосинтеза с рециркуляцией преобразованных отходов масел. Способ включает гидроформилирование олефина с синтез-газом в реакторе с полученим продукта оксосинтеза и побочного продукта - отходов масел, характеризующегося более низкой или более высокой температурой кипения, чем продукт оксосинтеза, отделение продукта оксосинтеза от отходов масел, преобразование отделенных отходов масел в синтез-газ, включающее испарение отходов масел газообразным углеводородом в резервуаре испарителя с получением смешанного парообразногопотока газообразного углеводорода и испаренных отходов масел и прямое окисление смешанного парообразного потока с получение синтез-газа, и рециркуляцию синтез-газа.

Изобретение относится к улучшению в производстве жидких топлив из твердого сырья. Способ производства топлива из углеродистого сырьевого материала включает: (A) получение ископаемого углеводородного топливного исходного сырья, выбранного из группы, включающей природный газ, метан, нафту, жидкие нефтяные газы (LPG), (B) формирование из указанного углеводородного топливного исходного сырья потока газообразного продукта, включающего водород и моноксид углерода в мольном соотношении Н2:СО по меньшей мере в 2,0:1, (C) добавление потока газообразного продукта, сформированного на стадии (В), к потоку синтез-газа, содержащему водород и СО, который получают из углеродистого сырьевого материала, выбранного из биомассы, угля, кокса или битума путем газификации в достаточном количестве для образования смешанного потока синтез-газа, имеющего мольное соотношение Н2:СО, большее, чем у указанного потока синтез-газа, полученного из углеродистого сырьевого материала, (D) превращение указанного смешанного потока синтез-газа с образованием топлива-продукта и извлечения из указанного превращения потока побочных продуктов, включающего один или более из водорода, СО, водяного пара, метана и углеводородов, содержащих 2-8 атомов углерода и 0-2 атома кислорода, и включает стадию (E), где поток побочных продуктов делят-осуществляют реакцию до менее 100% указанного потока побочных продуктов в образовании указанного газообразного потока продукта на стадии (В) и также до менее 100% потока побочных продуктов, полученного на стадии (D), подают на стадию (В) и сжигают для производства тепла, которое потребляется в формировании указанного газообразного потока продукта на стадии (В), при этом далее способ включает испарение сырьевого потока воды при помощи тепла, полученного путем превращения указанного смешанного потока синтез-газа на стадии (D), с получением пара, введение этого потока пара в реакцию с углеводородным сырьем на основе ископаемого топлива на стадии (В) и в газификацию углеродистого сырьевого материала.

Изобретение относится к способу получения синтез-газа путем углекислотного риформинга. Способ включает подачу углеводорода и диоксида углерода при соотношении от 1 до 10 в реактор с псевдоожиженным слоем с использованием частиц технического углерода в качестве катализатора.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности при очистке отходящих потоков, образующихся в результате фосгенирования аминов с получением соответствующих изоцианатных компонентов.

Изобретение относится к области химии. Поглотитель водорода размещают в замкнутом объеме с очищаемой кислородсодержащей или кислородобедненной газовой средой.

Изобретение относится к области мембранных технологий и касается устройств, осуществляющих выделение кислорода из смеси газов на керамических мембранах со смешанной ионно-электронной проводимостью.

Изобретение относится к области водородной энергетики, выделения водорода из газовых смесей, получения особо чистого водорода. В способе изготовления мембраны для выделения водорода из газовых смесей, при котором на поверхности мембраны, выполненной на основе сплавов металлов 5-й группы Периодической системы друг с другом или с другими металлами, наносят защитно-каталитическое покрытие из палладия или сплавов палладия, согласно изобретению материал мембраны изготавливают из сплава, содержащего примеси легирующих элементов, концентрацию которых изменяют в направлении от входной стороны мембраны к ее выходной стороне путем увеличения растворимости водорода в материале мембраны увеличивается в направлении от входной стороны мембраны к ее выходной стороне в соответствии с формулой где S(x) - константа растворимости водорода в металле (сплаве), x - координата в направлении, нормальном к поверхности мембраны, Sвх - значение константы растворимости в материале мембраны возле входной поверхности, Pвх и Pвых - входное и выходное давления водорода, ата, L - толщина мембраны, мм.

Изобретение раскрывает полимерные формы ионных жидкостей PFIL на основе полибензимидазола (РВТ) и способ синтеза таких полимерных форм ионных жидкостей. Изобретение также относится к использованию полимерных форм ионных жидкостей на основе PBI и мембран из них для сорбции, фильтрации и разделения газов.

Изобретения могут быть использованы в химической и металлургической промышленности. Мембранная трубка для диффузионного выделения водорода из водородсодержащих газовых смесей содержит пористую трубку (S) из металлокерамического сплава, а также содержащую палладий или выполненную из палладия мембрану (M), которая покрывает наружную сторону металлокерамической трубки (S).

Настоящее изобретение относится к устройству для выделения кислорода из кислородсодержащего газа. Оно содержит мембранный блок и электродный блок.

Изобретение относится к области водородной энергетики, выделения водорода из газовых смесей, получения особо чистого водорода. Предложена композитная мембрана для выделения водорода из газовых смесей на основе сплавов металлов 5-й группы Периодической системы друг с другом с защитно-каталитическим покрытием на поверхности мембраны из палладия или сплавов палладия, при этом в качестве материала мембраны выбран материал с растворимостью водорода такой же, как у материала покрытия, либо отличающейся не более чем на 15%.

Описаны способ обработки выхлопных газов, образующихся при сжигании газообразного топлива, и способы сжигания газообразного топлива, включающие такое разделение газов.

Изобретение может быть использовано для разделения газовых смесей. Используемая для разделения газовых смесей керамическая мембрана имеет следующий состав, мас.%: оксид алюминия 30-54; силикат натрия 42-68; углеродные нанотрубки УНТ с внешним диаметром 1-5 нм с трехслойной структурой и удельной поверхностью 350-1000 м2/г 1-4.

Изобретение относится к способам озонолиза органических соединений. Способ производства озона, предназначенного для использования при озонолизе органических соединений, включает подачу жидкого кислорода в теплообменник и тем самым получение газообразного кислорода, подачу газообразного кислорода в генератор озона, подачу смеси озона и кислорода в установку отделения озона, подачу жидкого азота в теплообменник и тем самым получение газообразного азота, подачу газообразного азота в установку отделения озона и возвращение кислорода, отделенного от смеси озона и кислорода, в точку подачи газообразного кислорода, и подачу смеси озона и азота в реактор озонирования для озонолиза органических соединений. Изобретение обеспечивает безопасный и рентабельный озонолиз органических соединений. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к физической химии, газовому анализу, вакуумной технике и может быть использовано для выделения атомов и ионов водорода, а также его изотопов из газовых смесей. Способ изготовления мембраны для выделения атомов и ионов водорода из газовых смесей на основе металлов 5-й группы Периодической системы Менделеева, ниобия, ванадия, тантала и их сплавов друг с другом, в котором производят удаление приповерхностного карбида путем термической обработки мембраны в кислороде при температуре мембраны от 1400°С до 1550°С и давлении кислорода от 10-3 Па до 10-2 Па. Технический результат - повышение стабильности работы мембраны. 2 ил.

Наверх