[分享]氢气的来源与纯度 [复制链接]

工业上制氢的方法很多，常用的有水电解法、食盐溶液电解法、氨或甲醇分解法和烃类蒸汽转化法等。此外还可以从合成氨弛放气、石油炼厂尾气和焦炉煤气中提取氢气。
1、    水电解法
电解水可以同时获得氢气和氧气。电解液采用（30～40）%的氢氧化钾（KOH）或（20～26）%的氢氧化钠（NaOH）溶液。电解制取1m3氢气和0.5m3氧气，理论上需要0.805kg,耗电2.95度，但实际上需要纯水约1kg，耗电4.5～6度。此法耗电量较大，所得氢气纯度较高，一般能达到（99.5～99.8）%。
2、    食盐溶液电解法
电解食盐溶液制取烧碱（NaOH）的同时，可以得到氯气和氢气。每生产1t烧碱(以100% NaOH计算)，同时可得到氢气(以100% H2计算)278 m3。用此法所得的氢气含杂质较多，含有水汽、氧气和氮气外，还有二氧化碳、一氧化碳和氯气等。
3、    氨分解法
在常压下采用催化剂，将氨加热到300℃以上，即能分解生成氢气和氮气。随着温度的升高（800℃左右），分解也越完全。用氨分解法，可得到含氢75%和含氮25%的混合气。每千克液氨可制得混合气体2.64标准立方米，其中氢气1.97标准立方米，氮气0.67标准立方米。采用氨分解法，所得的气体含杂质较少（杂质中含水汽约2g/m3,残氨约0.01%），如通过分子筛纯化器，气体的露点可降至-60℃以下，残氨降至3～5ppm。因此，它是一种良好的还原性保护气体。可用于有色金属、硅钢、铬钢和不锈钢等金属材料和零件的光亮退火、硅钢片的脱碳处理、铜基、铁基粉末冶金烧结、电真空器件的金属零件烧氢处理、半导体器件的保护烧结和封结、钯合金膜扩散纯化氢气的原料气等。
用氨分解气体发生装置与变压吸附提纯装置相结合，可以制取纯度为99.999%的氢气，与钯金属膜扩散纯化装置相结合，可以制取纯度为99.9999%以上的氢气。
4、    烃类蒸汽转化法
目前烃类蒸汽转化法是制取氢气的主要方法，具有产量大、成本低的优点，在氢气纯度要求不高的石油化工生产中大量采用。今年来烃蒸汽转化法与变压吸附法相结合，可以制取含氢量（99.9～99.999）%的高纯氢气。
烃类蒸汽转化变压吸附法制取高纯氢气的主要工艺步骤有原料气脱硫、蒸汽转化、高温变化和变压吸附提纯等。其主要过程是甲烷等烃类（如天然气和石油裂化气等）与水蒸汽在镍触媒催化剂的作用下，转化生成氢气。
氢气的物理化学性质
氢气在常温常压下都是无色无味的气体。在标准大气压下，氢的沸点为-252.5℃，熔点为-259.14℃。氢的导热性较好，导热系数比空气大7倍。氢在水中的溶解度较小，渗透性较强，在常温下可以透过橡皮管和乳胶管，在高温下可以透过钯、铂、镍、铁和铜等金属薄膜。
氢具有较强的还原性，在高温下氢能从金属氧化物中夺取氧，使金属氧化物还原成金属。金属和合金在高温下经过氢气处理，可以除去磷、硫、氧、氮和碳等杂质。因此，工业上广泛采用氢气作为还原气和保护气。氢氧混合后易爆炸，其爆炸极限（体积）为：上限94.0%，下限4.0%。氢与空气的爆炸极限为（体积）：体积74.5%，下限4.0%。
氢气的用途
氢气被广泛应用于化工、冶金、电子等工业部门。
在石油化工行业的生产中，应用不同组份的含氢气体作为合成氨、甲醇、石油炼制生产的原料气、加氢气体等。在尼龙、塑料、农药和油脂化工中，也都需要加入一定纯度的氢气，生产相应的产品。
在冶金工作中，氢气的使用颇为广泛。有色金属——钨、钛等的生产和加工中，使用高纯氢气作为还原气和保护气；在硅钢片的生产中，需要用高纯氢气作保护气；在一些磁性材料、磁性合金的生产中，也需用高纯氢气作为保护气，以提高产品质量，简化工序；在硬质合金、粉末冶金材料的生产中，高纯氢气作为合金制作过程中的还原剂和保护气，是不可缺少的；在一些薄板、带钢的轧制中常常使用氮气—氢气混合气作保护气。
在电子工业中，也十分广泛的使用高纯氢气，主要用于电子材料、半导体材料和器件、集成电路以及电真空器件的生产。按用途的不同，它作为还原气、携带气和保护气。在多晶硅制取、硅、砷化镓外延生长时，都需要用纯度很高的氢气作为还原气。氢气纯度的高低，直接影响到多晶硅和外延片的生产和产品质量，特别是外延生长工序，一般要求纯度在6个“9”以上。由于制氢技术特别是氢气的纯化工艺的发展，促进了半导体技术的不断发展。在电子管生产中，需用高纯氢气作为零件退火等的保护气。
在建筑材料和轻工业中，也常常应用氢气作保护气、还原气或燃烧气体。如石英玻璃、人造宝石的制造与加工，广泛使用氢—氧焰获得高温。在浮法玻璃生产中，使用氢气—氮气混合气作保护气等。
电子工业用氮执行标准：（GB/T16994-1997）
技术指标：
项目    指标
氮气纯度，10-2 ≥    99.9993
氧含量，10-6 ≤    1
一氧化碳含量，10-6 ≤    0.5
氢含量，10-6 ≤    1.0
总烃含量（以甲烷为计），10-6 ≤    1
水分含量，10-6 ≤    0.5
二氧化碳含量，10-6 ≤    0.5
在集成电路、芯片(晶片)和相关元器件的生产过程中，高纯氮是最重要的、也是用量最大的工业气体。高纯氮中杂质含量的多少，直接影响到芯片的精度、集成电路的集成度以及最终产品成品率的高低，而集成电路等产品的成品率，又极大地关系到制造成本和生产厂家的利润率。国内的集成电路生产厂家，大多进口国外的空分装置或终端纯化器来生产所需的电子纯气体产品。国内的空分设备设计制造厂家至今还没有产品供应。最近经过研究计算，国内生产电子工业用高纯氮的制氮装置是完全可以实现的，它比用常规制氮装置加终端净化器要方便、经济得多。