四种氦气提纯方法简介

氦气提纯是实现氦气资源循环利用的重要技术，目前工业上氦气提纯方法主要有选择吸附法、低温精馏法、化学反应法和薄膜扩散法，这四种方法的应用原理各有不同。

选择吸附法

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【四种氦气提纯方法简介】图1 系留气球氮气纯化装置示意图
选择吸附是利用固体吸附剂对气体中各组份的吸附能力不同，达到分离或纯化气体的目的物理吸附的作用力是范德华力，物理吸附是可逆的。物理吸附中吸附剂吸附各种气体杂质达到饱和后，必须再生才能继续使用。
在纯化氮气的过程中物理吸附中的吸附剂常使用硅胶、分子筛和活性炭。且物理吸附常与其他纯化方法互相配合，诸如化学吸附、低温冷凝等方法一起构成氮气的纯化工艺。
日本在 2010 年发明了一项专利，这项专利主要是利用吸附剂吸附氮气中的杂质，纯化后的氨气用于系留气球的浮升气体，相关流程见图 1 。
氨气分离技术的主流技术依旧是物理吸附技术，这种方法主要运用了硅胶、分子筛、活性碳等吸附剂。
低温精馏法

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图2 液氢冷凝分离法分离氖氮流程
低温精馏法主要是利用了各种气体组份在冷却后沸点不一样及气体在低温下可形成固态、液态、气态从而分离不同相态的组份。在半导体工业用的氨气就是利用低温将氮气中的杂质经低温冷冻室固体化后，再经过滤器过滤固体化的杂质过滤后的氨气可用于半导体生产。
在氖氮分离中，工业中常用液氢和液氖作为冷凝剂。液氢冷凝法是在常压液氢温度（20.4K）或负压液氢温度（3~15K），使氖固化，氮呈气态，氮的纯度能控制在 99.9%左右。
低温精馏法单独使用不能纯化氮气，需与其它方法结合。
薄膜扩散法

文章插图: 流程 1∷深冷法提氮流程

文章插图: 流程 2: 膜分离与深冷法相结合流程

薄膜法是利用对各种气体组份具有选择性扩散的某些薄膜材料，除去杂质组份，用于空气分离时通常使用有机聚合薄膜，用于薄膜扩散的材料主要有天然材料、合成高分子材料和金属材料等。
截至到上世纪 80 年代末，工业上用于气体的分离和纯化方面的有氢气纯化、宇航用呼吸气 CO2 和 O2) 分离、天然气和石油气分离等。其中以钯合金扩散纯化氢气最为成功。
利用膜分离天然气中的氨气，在相同氮气产量的情况下，可大幅度降低低温分离的规模及投资费用，但同样存在膜分离膜中分离膜的技术问题而没有真正意义上的工业化。
薄膜法设备简单、能耗小，但不能纯化粗氨，对原料气纯度有要求，同时由于膜技术的不成熟，这种技术尚不能大量运用在工业上。
化学反应法

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图3 高温气冷堆氨气纯化装置流程图
化学吸附是吸附剂和吸附质之间的成键作用，其吸附热与化学热相近，化学吸附是不可逆的。利用铂、钯等催化剂，可使气体中某些杂质组份转换为另一种易于除去的的杂质组份。而这些方法亦是和其它方法联合在一起对氮气进行纯化。
化学反应法需要有催化剂参与，需要加热到高温以达到催化剂活化温度，且催化剂不可再生可能造成能耗增大、设备庞大。
总结四种氦气提纯方法对节约氮气资源，降低使用成本，实现氮气回收纯化具有非常重要的意义。