氣相色譜中的氫氣發生器

由于氫氣具有分子量小，分子半徑大，熱導系數大，粘度小等特點， 在氣相色譜的使用過程中，氫氣的用途主要有以下幾種：一方面使用氫氣作為氣相色譜分析的載氣，進行樣品分離和分析；另一方面，當使用毛細柱進行分析時，一般需要使用與載氣相同的氣體作為尾吹氣；再則，使用FID、FPD和NPD做檢測器時候，需要使用氫氣作為燃氣，和空氣燃燒以提供火焰；此外，當儀器使用轉化爐時候，需要額外的氫氣用作反應氣體和CO、CO2發生反應生成甲烷。
       常用的氫氣供給方式包括使用鋼瓶氫氣和使用氫氣發生器來提供，但由于氫氣鋼瓶使用或存放不當易燃易爆，故目前氫氣發生器的使用較為廣泛。

1、氫氣發生器組成
       氫氣發生器由電解池、氫/水分離器、收集器、干燥器、傳感器、壓力調節閥等部件組成。電解池是用來盛放水溶液，并發生電解反應的器皿；氫/ 水分離器是將電解產生的氫氣從水中分離出來，并通過干燥器去除其中夾雜的水分，最后進入收集器以備使用；壓力調節閥通過調節反應器里的壓力來控制反應的速率和程度。氫氣易燃易爆，使用時，應特別注意避開火源，以防爆炸。

下圖為QPH-300II型全自動氫氣發生器的示意圖

儀器特點：

1.操作簡便，安全可靠，一次性加堿，日常使用只需補充蒸餾水，啟動電源開關即可產氫。
2.氣路部分全部采用不銹鋼管，（電解拋光，超聲清洗），設有過壓保護裝置，兩級凈化。
3.的防返液裝置，確保儀器返液現象。
4.筒式電解池，電解材料選用進口特制貴金屬，有效的提高電解效率，恒定池體溫度，促使電解池使用壽命大大提高。
5.輸出流量穩定，自動跟蹤，純度不衰減，可連續使用。
       QPH-300II氫氣發生器適用于國內外各種型號的色譜儀，戶外分析實驗，替代傳統的高壓鋼瓶，使氣源儀器化。儀器具有運用便利、安全、安穩等特點。產品廣泛應用于化工、環保、石油、造紙、電力、食物、制藥、科研等范疇。

2、氫氣發生器的電解槽原理

氫氣發生器從原理上來講都屬于電解制氫，具體的區別在于核心部件電解槽的類型，即：堿性電解槽、基于離子交換技術的聚合物薄膜電解槽和固體氧化物電解槽。

在實驗室中使用的一般有堿性電解槽制氫和聚合物薄膜電解槽制氫。

1 使用堿性電解槽制氫
       堿性電解槽是zui常用、技術zui成熟、也的電解槽，并且易于操作，在目前廣泛使用，但缺點是其效率zui低。堿性電解槽主要由電源、電解槽箱體、電解液、陰極、陽極和橫隔膜組成。電解液都是氫氧化鉀溶液(KOH)，濃度為20％～30％；橫隔膜主要由石棉組成，主要起分離氣體的作用，而兩個電極則主要由金屬合金組成。
       其工作的主要原理是：在陰極，水分子被分解為氫離子（H+）和氫氧根離子（OH-），氫離子得到電子生成氫原子，并進一步生成氫分子（H2）；氫氧根離子（OH-）則在陰、陽極之間的電場力作用下穿過多孔的橫隔膜，到達陽極，在陽極失去電子生成一個水分子和氧分子。
       堿性電解槽制氫的特點是：氫氧根離子（OH-）在陰、陽極之間的電場力作用下穿過多孔的橫隔膜。

2 聚合物薄膜電解槽制氫
         聚合物薄膜電解槽制氫（PEM），一些地方也稱之為固體聚合物電解質（SPE）水電解制氫。該種原理不需電解液，只需純水，比堿性電解槽安全，電解槽的效率可以達到85％或以上，但由于在電極處使用鉑等貴重金屬，薄膜材料也是昂貴的材料，故PEM電解槽目前還難以投人大規模的使用。
       其工作的主要原理是：去離子水被供到膜一電極組件上，在陽極側反應析出氧氣、氫離子和電子；電子通過電路傳遞到陰極，氫離子以水合的形式(H+·XH20)通過離子交換膜到陰極；在陰極，氫離子和電子重新結合形成氫氣，同時，部分水也帶到了陰極。
       聚合物薄膜電解槽制氫的特點是：氫離子（H+）在陰、陽極之間的電場力作用下穿過離子交換膜。

3、氫氣的凈化

       氫氣從電解槽電解出來之后，都需要經過凈化才能供氣相色譜儀使用，常用的凈化方式主要有以下幾種：
1、硅膠/分子篩凈化系統
       硅膠和分子篩凈化系統屬于氫氣發生器常用的凈化裝置。一般而言，在室溫下使用硅膠初步脫水，分子篩進一步脫水。由于硅膠價格便宜、活化再生方便，應此是使用廣泛的脫水方式。
需要注意的是，當硅膠吸附水分之后，會由天藍色變為粉紅色，應當及時更換。

2 變壓吸附凈化系統

      變壓吸附凈化方式在氮氣發生器中也有使用。
      變壓吸附(PSA)是一項用于氣體分離的技術，變壓吸附(PSA)技術的基本原理是利用吸附劑及不同壓力下對不同物質的吸附容量的不同從而達到氣體分離的目的。其基本過程是在高壓下吸附劑將氣體中的雜質吸附，目標氣體（H2）被吸附相對較少，穿過吸附層成為所需的產品氣；然后在低壓下，被吸附的雜質氣解吸出來。這樣的過程反復循環，最終的得到足量的產品氣（H2）。
3 鈀薄膜凈化系統
      除了上述兩種凈化方式之外，有的廠家提供了采用鈀薄膜的凈化系統，其基本原理是利用高溫下只有氫原子才能穿透鈀銀合金薄膜的特性來進行凈化。當氫原子穿透鈀銀合金薄膜之后，在鈀薄膜的另一側，單原子氫重新組合為雙原子氫氣。

      根據相關廠家說明，此種方法可以產生超高純度氫氣，幾乎無水分或氧氣攜帶，純度超過 99.99999%

氫氣發生器的簡單對比
在實際的使用過程中，選擇氫氣發生器一般原則是選擇電解槽的類型和凈化的方式。

1 從電解槽的類型來看
可以參考下表：
相對而言，采用聚合物薄膜電解槽制氫具有較多的優勢，但是價格較貴。

2 從凈化方式來看

       硅膠/分子篩凈化系統可以滿足氣相色譜常規分析純度的一般要求，與其他提純方法相比，性價比高。
       變壓吸附凈化系統和鈀薄膜凈化系統都可以提供高純度的氫氣，但是價格較貴，也會存在一些操作上需要多加注意的地方。

       目前而言，市面上較多的是采用堿性電解槽+硅膠/分子篩凈化系統的氫氣發生器，可以滿足一般分析的需求。