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CN108212163B - 一种氢分离用Ni基复合膜管及其制备方法 - Google Patents

一种氢分离用Ni基复合膜管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢分离用Ni基复合膜管，包括基体管和覆于基体管表面的金属镍膜，所述基体管内且沿长度方向设置有多个通孔，所述基体管和金属镍膜均为多孔结构，所述基体管的孔径不大于6μm，所述基体管的孔隙率为30％～48％，所述基体管的材质为镍合金；所述金属镍膜的厚度为5μm～30μm，孔径范围在0.05～0.3μm；本发明还公开了一种氢分离用Ni基复合膜管的制备方法。本发明制备的Ni基复合膜管可在≤650℃的条件下分离氢气，成本低，孔径分布均匀，对原料气的要求较低，具有处理量大，具有易于安装等优点。

Description

一种氢分离用Ni基复合膜管及其制备方法
技术领域
本发明属于复合金属多孔材料技术领域，具体涉及一种氢分离用Ni基复合膜管及其制备方法。
背景技术
氢的分离方法有：膜分离法、变压吸附(PSA)法、深冷分离法等，其中膜分离法具有投资少、占地小、能耗低、操作方便等特点。钯膜或钯合金膜用于氢气的分离纯化已有近50年的历史。在近20年，为了降低膜厚以及提高氢通量，负载型钯膜得到了迅速发展。
但是，钯膜不仅成本高，且在温度高于500℃的环境应用时，寿命急剧降低，而且对原料气的成分具有严格的要求，以抑制钯膜的中毒及失效，从而制约了钯膜的大规模应用。
目前，氢分离用金属膜材料的研究重点转向其它相对便宜的金属膜材料，如钛合金，或者钽合金等超薄毛细管，但是由于金属毛细管一般在非晶状态下，才具有高的氢分离性能，而金属毛细管在超过500℃的条件下由非晶状态转化成晶态，从而限制了金属膜管在≥500℃高温条件下应用于氢分离。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种氢分离用Ni基复合膜管。该Ni基复合膜管可在温度≤650℃的条件下分离氢气，解决了现有金属膜管在≥500℃高温的条件下的应用的问题，而且具有成本低，透气均匀，孔径分布均匀等特点，能实现大规模生产，将所述Ni基复合膜管应用于氢分离时，对原料气的要求较低，不易发生膜中毒的问题，且具有处理量大，具有易于安装等优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种氢分离用Ni基复合膜管，其特征在于，该Ni基复合膜管包括基体管和覆于基体管表面的金属镍膜，所述基体管内且沿长度方向设置有多个通孔，所述基体管和金属镍膜均为多孔结构，所述基体管的孔径不大于6μm，所述基体管的孔隙率为30％～48％，所述基体管的材质为镍合金。
上述的一种氢分离用Ni基复合膜管，其特征在于，所述Ni基复合膜管的外径为6mm～16mm，所述通孔的孔径为1mm～3mm，通孔的数量为4～20个；所述金属镍膜的厚度为5μm～30μm，金属镍膜的孔径0.05μm～0.3μm。
上述的一种氢分离用Ni基复合膜管，其特征在于，所述镍合金为Inconel625合金。
另外，本发明还公开了一种制备上述的氢分离用Ni基复合膜管的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将镍合金粉末和增塑剂混合均匀，得到混料；
步骤二、采用挤压设备对步骤一中得到的混料进行薄壁多通道Ni基复合膜管的挤压成型，得到基体管坯体；
步骤三、将步骤二中得到的基体管坯体置于气氛炉中，在高纯氩气气氛的保护下进行预烧结处理；所述预烧结处理的温度为750℃～850℃，时间为1.5h～2.5h；
步骤四、将步骤三中经预烧结处理后的基体管坯体置于真空炉中，在真空度小于10-2Pa，温度为950℃～1200℃的条件下进行0.5h～2.5h的烧结处理，得到基体管；
步骤五、将粒径小于1μm的镍粉和聚乙烯醇水溶液混合均匀，得到浆料，所述浆料中镍粉的质量含量为15％～28％；
步骤六、将步骤五中得到的浆料喷涂到步骤四中得到的基体管的外表面上，然后置于氢气炉中进行烧结，最终得到氢分离用Ni基复合膜管。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述增塑剂为混料质量的6％～10％；所述增塑剂为固体石蜡。
上述的方法，其特征在于，步骤五中所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为1.2％。
上述的方法，其特征在于，步骤六中所述烧结的温度为600℃～800℃，时间为60min～120min。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的Ni基复合膜管相与金属钯及钯合金膜管相比，具有成本低，约为金属钯及钯合金膜管的五分之一。
2、本发明的Ni基复合膜管应用于氢分离时的使用温度宽，可在常温至650℃的条件下正常使用，而金属钯膜管和钯合金膜管的适宜使用范围为350～500℃。
综上所述，本发明的Ni基复合膜管适用范围广且实用价值高，可在温度≤650℃的条件下分离氢气，而且具有成本低，透气均匀，孔径分布均匀等特点，能实现大规模生产，而且将所述Ni基复合膜管应用于氢分离时，对原料气的要求较低，且具有处理量大，具有易于安装等优点。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1中的氢分离用Ni基复合膜管的结构示意图。
图2是本发明实施例2中的氢分离用Ni基复合膜管的结构示意图。
图3是本发明实施例3中的氢分离用Ni基复合膜管的结构示意图。
附图标记说明：
1—基体管； 2—金属镍膜； 3—通孔。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的一种氢分离用Ni基复合膜管，包括基体管1和覆于基体管1表面的金属镍膜2，所述基体管1内且沿长度方向设置有多个通孔3，所述基体管1和金属镍膜2均为多孔结构，所述基体管1的孔径不大于6μm，所述基体管1的孔隙率为30％～48％，所述基体管1的材质为镍合金；所述Ni基复合膜管的外径为11mm，所述通孔3的孔径为1.5mm，通孔的数量为17个，所述金属镍膜2的厚度为18μm，金属镍膜2的孔径0.15μm；所述基体管1为Inconel625合金。
本实施例氢分离用Ni基复合膜管的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将镍合金粉末和增塑剂混合均匀，得到混料；所述增塑剂为混料质量的8％，所述增塑剂为固体石蜡；
步骤二、采用挤压设备对步骤一中得到的混料进行薄壁多通道Ni基复合膜管的挤压成型，得到基体管坯体；
步骤三、将步骤二中得到的基体管坯体置于气氛炉中，在高纯氩气气氛的保护下进行预烧结处理；所述预烧结处理的温度为800℃，时间为2h；
步骤四、将步骤三中经预烧结处理后的基体管坯体置于真空炉中，在真空度小于10-2Pa，温度为1050℃的条件下进行1.5h的烧结处理，得到基体管1；
步骤五、将50g粒径小于300nm的镍粉和182.5g聚乙烯醇水溶液混合均匀，得到浆料，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为1.2％；
步骤六、将步骤五中得到的浆料喷涂到步骤四中得到的基体管1的外表面上，每次喷涂的厚度为3～5μm，然后置于氢气炉中在温度为700℃的条件下进行90min烧结，最终得到氢分离用Ni基复合膜管。
本实施例制备的氢分离用Ni基复合膜管的长度为300mm，原料气由以下体积百分数的原料制成：20％氢气、30％二氧化碳、其余为水及少量的一氧化碳；氮气为吹扫气；原料气和氮气的流速均为50mL/min。经持续80h氢分离测试，本实施例制备的Ni基复合膜管在200℃下的氢气透气率为1.7×10-4mol m-2s-1Pa-1。
实施例2
如图2所示的一种氢分离用Ni基复合膜管，包括基体管1和覆于基体管1表面的金属镍膜2，所述基体管1内且沿长度方向设置有多个通孔3，所述基体管1和金属镍膜2均为多孔结构，所述基体管1的孔径不大于6μm，所述基体管1的孔隙率为48％，所述基体管1的材质为镍合金；所述Ni基复合膜管的外径为6mm，所述通孔3的孔径为3mm，通孔的数量为4，所述金属镍膜2的厚度为5μm，金属镍膜2的孔径0.05μm；所述基体管1为Inconel625合金。
本实施例氢分离用Ni基复合膜管的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将720g Inconel625合金粉末和80g固体石蜡混合均匀，得到混料；
步骤二、采用挤压设备对步骤一中得到的混料进行薄壁多通道Ni基复合膜管的挤压成型，得到基体管坯体；
步骤三、将步骤二中得到的基体管坯体置于气氛炉中，在高纯氩气气氛的保护下进行预烧结处理；所述预烧结处理的温度为750℃，时间为2.5h；
步骤四、将步骤三中经预烧结处理后的基体管坯体置于真空炉中，在真空度小于10-2Pa，温度为950℃的条件下进行2.5h的烧结处理，得到基体管1；
步骤五、将粒径小于1μm的镍粉和聚乙烯醇水溶液混合均匀，得到浆料，所述浆料中镍粉的质量含量为15％；所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为1.2％；
步骤六、将步骤五中得到的浆料喷涂到步骤四中得到的基体管1的外表面上，然后置于氢气炉中在温度为600℃的条件下进行120min烧结，最终得到氢分离用Ni基复合膜管。
本实施例制备的氢分离用Ni基复合膜管的长度为300mm，原料气由以下体积百分数的原料制成：20％氢气、30％二氧化碳、其余为水及少量的一氧化碳；氮气为吹扫气；原料气和氮气的流速均为50mL/min。经持续140小时氢分离测试，本实施例制备的Ni基复合膜管在650℃下的氢气透气率为3.5×10-3mol m-2s-1Pa-1。
而现有钯膜管用于上述氢分离测试的最佳使用温度为380℃～520℃，在600℃以上使用时钯膜管很快失效。
实施例3
如图3所示的一种氢分离用Ni基复合膜管，包括基体管1和覆于基体管1表面的金属镍膜2，所述基体管1内且沿长度方向设置有多个通孔3，所述基体管1和金属镍膜2均为多孔结构，所述基体管1的孔径不大于6μm，所述基体管1的孔隙率为30％，所述基体管1的材质为镍合金；所述Ni基复合膜管的外径为16mm，所述通孔3的孔径为1mm，通孔的数量为20个，所述金属镍膜2的厚度为30μm，金属镍膜2的孔径0.3μm；所述基体管1为Inconel625合金。
本实施例氢分离用Ni基复合膜管的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将940g镍合金粉末和60g增塑剂混合均匀，得到混料；所述增塑剂为混料质量的6％，所述增塑剂为固体石蜡；
步骤二、采用挤压设备对步骤一中得到的混料进行薄壁多通道Ni基复合膜管的挤压成型，得到基体管坯体；
步骤三、将步骤二中得到的基体管坯体置于气氛炉中，在高纯氩气气氛的保护下进行预烧结处理；所述预烧结处理的温度为850℃，时间为1.5h；
步骤四、将步骤三中经预烧结处理后的基体管坯体置于真空炉中，在真空度小于10-2Pa，温度为1200℃的条件下进行0.5h的烧结处理，得到基体管1；
步骤五、将粒径小于1μm的镍粉和聚乙烯醇水溶液混合均匀，得到浆料，所述浆料中镍粉的质量含量为28％；所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为1.2％；
步骤六、将步骤五中得到的浆料喷涂到步骤四中得到的基体管1的外表面上，然后置于氢气炉中在温度为800℃的条件下进行60min烧结，最终得到氢分离用Ni基复合膜管。
本实施例制备的氢分离用Ni基复合膜管的长度为300mm，原料气由以下体积百分数的原料制成：20％氢气、30％二氧化碳、其余为水及少量的一氧化碳；氮气为吹扫气；原料气和氮气的流速均为50mL/min。经持续300小时测试，本实施例制备的Ni基复合膜管在400℃下的氢气透气率可达2.1×10-3mol m-2s-1Pa-1。
现有金属钯膜管或者钯合金膜管在上述相同氢分离测试条件下氢气透气率可达3.2×10-3mol m-2s-1Pa-1。本发明制备的Ni基复合膜管的试验结果与其相差较小，也能满足氢分离的需要，但是本发明的Ni基复合膜管的成本显著低于现有金属钯膜管，有利于企业控制成本，增加利润。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种氢分离用Ni基复合膜管，其特征在于，该Ni基复合膜管包括基体管(1)和覆于基体管(1)表面的金属镍膜(2)，所述基体管(1)内且沿长度方向设置有多个通孔(3)，所述基体管(1)和金属镍膜(2)均为多孔结构，所述基体管(1)的孔径不大于6μm，所述基体管(1)的孔隙率为30％～48％，所述基体管(1)的材质为镍合金；所述金属镍膜(2)的厚度为5μm～30μm，金属镍膜(2)的孔径0.05μm～0.3μm，所述通孔(3)的孔径为1mm～3mm，通孔(3)的数量为4～20个；
该Ni基复合膜管的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将镍合金粉末和增塑剂混合均匀，得到混料；所述镍合金为Inconel625合金；
步骤二、采用挤压设备对步骤一中得到的混料进行薄壁多通道Ni基复合膜管的挤压成型，得到基体管坯体；
步骤三、将步骤二中得到的基体管坯体置于气氛炉中，在高纯氩气气氛的保护下进行预烧结处理；所述预烧结处理的温度为750℃～850℃，时间为1.5h～2.5h；
步骤四、将步骤三中经预烧结处理后的基体管坯体置于真空炉中，在真空度小于10- 2Pa，温度为950℃～1200℃的条件下进行0.5h～2.5h的烧结处理，得到基体管；
步骤五、将粒径小于1μm的镍粉和聚乙烯醇水溶液混合均匀，得到浆料，所述浆料中镍粉的质量含量为15％～28％；
步骤六、将步骤五中得到的浆料喷涂到步骤四中得到的基体管的外表面上，然后置于氢气炉中进行烧结，最终得到氢分离用Ni基复合膜管，所述Ni基复合膜管的外径为6mm～16mm。
2.一种制备如权利要求1所述的氢分离用Ni基复合膜管的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将镍合金粉末和增塑剂混合均匀，得到混料；
步骤二、采用挤压设备对步骤一中得到的混料进行薄壁多通道Ni基复合膜管的挤压成型，得到基体管坯体；
步骤三、将步骤二中得到的基体管坯体置于气氛炉中，在高纯氩气气氛的保护下进行预烧结处理；所述预烧结处理的温度为750℃～850℃，时间为1.5h～2.5h；
步骤四、将步骤三中经预烧结处理后的基体管坯体置于真空炉中，在真空度小于10- 2Pa，温度为950℃～1200℃的条件下进行0.5h～2.5h的烧结处理，得到基体管；
步骤五、将粒径小于1μm的镍粉和聚乙烯醇水溶液混合均匀，得到浆料，所述浆料中镍粉的质量含量为15％～28％；
步骤六、将步骤五中得到的浆料喷涂到步骤四中得到的基体管的外表面上，然后置于氢气炉中进行烧结，最终得到氢分离用Ni基复合膜管。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤一中所述增塑剂为混料质量的6％～10％，所述增塑剂为固体石蜡。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤五中所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为1.2％。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤六中所述烧结的温度为600℃～800℃，时间为60min～120min。
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