راهنمای انتخاب پودر فلز متخلخل برای فیلترهای الکترولیز آب PEM

روش های مختلفی وجود دارد که هر سیستم الکترولیز آب PEM می تواند کار کند. فشار کاری، محدوده دما و خروجی پیش بینی شده همگی بر انتخاب پودر تاثیر می گذارند. برای سیستم هایی با فشار بیش از 30 بار، به پودرهایی نیاز دارید که بتوانند به ساختارهایی تبدیل شوند که به اندازه کافی قوی باشند تا بتوانند در بسیاری از دورهای فشار بالا بدون شکستگی دوام بیاورند. تغییرات دما با قطع و وصل شدن برق اتفاق می افتد. برخی از مخلوط‌های پودری بهتر از بقیه می‌توانند از عهده این کار برآیند.

مشخصات پودر نیز بر اساس انواع آلاینده های موجود در آب تغذیه شما است. وقتی صحبت از مشکلات می شود، سیستم هایی که از منابع دیونیزه استفاده می کنند با سیستم هایی که از آب شهری استفاده می کنند متفاوت هستند. پودری که انتخاب می‌کنید باید دارای توزیع اندازه ذرات باشد که منافذ را به اندازه کافی کوچک کند تا آلاینده‌های مورد انتظار را به دام بیاندازد و در عین حال هوای کافی برای استفاده طولانی مدت از آن عبور کند. از خراب شدن سریع فیلتر جلوگیری می کند زیرا مواد پودری از نظر شیمیایی با آب سازگار است.

انتخاب یک ماده با میزان مقاومت آن در برابر زنگ شروع می شود. در الکترولیزهای PEM، غشاهای تبادل پروتون، محیط را اسیدی می کنند که برای مواد فیلتر مضر است. هنگامی که در این شرایط قرار می گیرند، پودرهای{2}}تیتانیوم بسیار قوی هستند و حتی پس از هزاران ساعت استفاده، شکل خود را حفظ می کنند. سطوح تیتانیوم به طور طبیعی یک لایه اکسیدی ایجاد می‌کنند که از آنها بیشتر محافظت می‌کند بدون اینکه بر توانایی آنها برای رسانایی الکتریسیته تأثیر بگذارد.

آنچه که رسانایی نیاز دارد به این بستگی دارد که فیلتر در کجای مجموعه الکترولایزر قرار گرفته است. پودرهای تیتانیوم که دارای اکسیژن کم هستند هنوز هم خاصیت انتقال الکترون بالایی دارند و در فیلترهایی که نزدیک به قطعات الکتریکی هستند به خوبی کار می کنند. این ویژگی نشت برق را کاهش می دهد و باعث می شود سیستم به طور کلی بهتر کار کند. پودرهای مبتنی بر نیکل{3}}و فولاد ضد زنگ نیز گزینه‌های خوبی برای استفاده‌هایی هستند که مقاومت بالا در برابر زنگ‌زدگی مهم نیست اما صرفه‌جویی در هزینه‌ها مهم است.

نحوه بسته بندی و پیوستن گرانول های پودر در طول فرآیند زینترینگ تأثیر زیادی بر عملکرد فیلتر دارد. اگر سازندگان توزیع اندازه ذرات و تنظیمات تف جوشی را با دقت انتخاب کنند، اندازه منافذ می تواند از 5 تا 80 میکرومتر باشد. منافذ تنگ تر برای خلاص شدن از شر آلاینده ها بهتر است، اما افت فشار در قسمت فیلتر را بزرگتر می کند. برای یافتن تعادل مناسب برای این معامله، باید به دقت به بودجه هیدرولیک سیستم خود نگاه کنید.

شکل‌های منافذ گرادیان با فرمول‌های پودری چند لایه امکان‌پذیر است، که گزینه‌های پیشرفته‌ای را برای استفاده‌های سخت ارائه می‌دهد. بین سطوح ورودی و خروجی، این طرح ها دارای منافذی هستند که به تدریج کوچکتر می شوند. این به آن‌ها اجازه می‌دهد تا مقدار زیادی کثیفی را در خود نگه دارند و آن را با دقت فیلتر کنند. برای اینکه ساختارهای گرادیان به خوبی کار کنند، فرآیند تولید باید دقیقاً نسبت اختلاط پودر و ضخامت لایه را کنترل کند.

تاسیسات الکترولیز PEM ممتاز به پودرهای تیتانیوم با خلوص{0} بالا با محتوای اکسیژن کمتر از 1500 ppm متکی هستند. از این مواد برای تولید عناصر فیلتر با مقاومت در برابر خوردگی و هدایت الکتریکی استثنایی استفاده می شود. فرآیند تولید پودر تصفیه شده ناخالصی هایی را که می توانند عملکرد طولانی مدت- را به خطر بیندازند یا فرآیند الکتروشیمیایی را آلوده کنند، حذف می کند.

پودرهای تیتانیوم با خلوص{{0}بالا گران‌تر از گریدهای استاندارد هستند، اما این سرمایه‌گذاری باعث افزایش عمر مفید و کاهش فرکانس نگهداری می‌شود. الکترولایزرهایی که به طور مداوم در تاسیسات تولید هیدروژن صنعتی کار می کنند به ویژه از این انتخاب مواد بهره می برند. مورفولوژی ذرات یکنواخت معمولی پودرهای{3} با خلوص بالا همچنین ساختارهای منفذی منسجم تری را امکان پذیر می کند و قابلیت پیش بینی عملکرد فیلتر را در سرتاسر دسته های تولیدی بهبود می بخشد.

برای استفاده هایی که به بهترین کیفیت الکتریکی نیاز دارند، مخلوط پودر فلز جامد با مقادیر اکسیژن که در ppm 800 یا کمتر نگهداری می شود، بهترین عملکرد را دارد. رسانایی طبیعی تیتانیوم هنگامی که سطح اکسیژن پایین نگه داشته می‌شود، ثابت می‌ماند، که برای صفحه‌هایی که در مسیرهای الکتروشیمیایی تعبیه شده‌اند مهم است. این انتخاب مواد گرمایش مقاومتی را کاهش می‌دهد و-تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ انرژی- کارآمدتر می‌کند.

پردازش ویژه مورد نیاز برای بدست آوردن محتوای اکسیژن کم، فرآیند تولید را دشوارتر می کند. جابجایی پودر در اتمسفرهای کنترل‌شده انجام می‌شود، و اتصال در شرایط خلاء بالا انجام می‌شود تا هوا به داخل نرود. حتی با وجود این مشکلات، عملکرد بهتر باعث می‌شود که کار اضافی برای سیستم‌های{3}PEM بالا که هر درصد راندمان بر هزینه انجام کار تأثیر می‌گذارد، ارزش آن را داشته باشد.

ویژگی‌های{0}بالای تیتانیوم در همه برنامه‌های فیلتراسیون PEM مورد نیاز نیست. عناصر فیلتر پودری ساخته شده از نیکل یا فولاد ضد زنگ معمولاً در مراحل قبل{2}}و سایر سیستم ها به خوبی کار می کنند. محافظت از زنگ زدگی این مواد برای شرایط سخت تر به اندازه کافی خوب است و همچنین بسیار ارزان تر هستند.

هنگامی که برای تصفیه آب با اسیدی متوسط ​​استفاده می شود، پودرهای فولاد ضد زنگ، به ویژه فرمول های 316L، قابل اعتماد عمل می کنند. از آنجایی که پیدا کردن آنها آسان است و روش‌های پخت{2} تثبیت شده دارند، برای تولید با حجم{3} بالا مناسب هستند. پودرهای مبتنی بر نیکل{5}}در وسط قرار دارند. آنها نسبت به فولاد ضد زنگ در برابر زنگ زدگی مقاوم تر هستند اما به اندازه تیتانیوم گران نیستند. سازندگان سیستم اغلب انواع مختلفی از پودر را برای هر مرحله از فیلتر انتخاب می کنند تا بهترین نسبت هزینه{8}}برای کل فرآیند تصفیه آب را به دست آورند.

پایداری الکتروشیمیایی و مقاومت در برابر خوردگی به خلوص بستگی دارد. حتی مواد مقاوم نیز می توانند خوردگی موضعی ناشی از عناصر کمیاب مانند آهن، کلر و گوگرد ایجاد کنند. پودرهای با خلوص بالا، به ویژه برای فیلترهای نزدیک مجموعه الکترودهای غشایی، این نگرانی ها را کاهش می دهند.

رسانایی خاص و ویژگی های مکانیکی به غلظت اکسیژن بستگی دارد. در طول پخت، اکسیژن اضافی اتصالات بین ذرات را می شکند و دوام عنصر فیلتر را محدود می کند. برای دستیابی به همجوشی ذرات، محتوای اکسیژن زیر آستانه بحرانی ممکن است به تنظیمات پارامتر پخت نیاز داشته باشد. تولیدکنندگان باید سطح اکسیژن را با اهداف پردازش و عملکرد متعادل کنند. تحقیقات نشان می دهد که نوسانات غلظت اکسیژن 200-300 ppm ممکن است به طور قابل توجهی بر مقاومت الکتریکی و مقاومت مکانیکی ساختار تیتانیوم متخلخل تأثیر بگذارد.

بهترین روش برای تنظیم خواص فیلتر زینتر شده، توزیع اندازه ذرات است. توزیع های باریک منافذ یکنواخت و جریان قابل پیش بینی را فراهم می کند. توزیع گسترده تر چگالی بسته بندی و استحکام مکانیکی را افزایش می دهد اما همگنی منافذ را کاهش می دهد.

تولیدکنندگان معمولاً از پودرهای مش یا میکرومتری استفاده می کنند. پودرهای زیر 20 میکرومتر دارای منافذ تنگ برای فیلتراسیون پولیش هستند. فیلتر{3}منظوره عمومی از ذرات 20 تا 45 میکرومتری با نفوذپذیری و حفظ متعادل استفاده می‌کند. پشتیبانی مکانیکی بدون محدودیت جریان از قطعات درشت تر بیش از 45 میکرومتر حاصل می شود.

اندازه ذرات پودر به صورت خطی بر اندازه منافذ نهایی تأثیر نمی گذارد. بازآرایی ذرات و همجوشی به پارامترهای تف جوشی، شکل پودر و فشار تراکم بستگی دارد. سازندگان باتجربه فیلتر، مشخصات پودر منحصربه‌فرد-همبستگی‌های عناصر تکمیل‌شده را پس از آزمایش‌های قابل‌توجه و اصلاح فرآیند ایجاد می‌کنند.

فیلترهای پیچیده از انواع پودرهای متعدد در یک عنصر استفاده می کنند. لایه های سطحی ریز دقت فیلتر را ارائه می دهند در حالی که لایه های پشتیبان درشت فشار مکانیکی را تحمل می کنند. مخلوط کردن پودر دقیق و رسوب کنترل شده برای ایجاد ساختارهای گرادیان مورد نیاز است.

مناطق انتقال لایه برای یکپارچگی فیلتر بسیار مهم هستند. ناپیوستگی های مکانیکی یا هیدرولیکی می تواند ناشی از ناگهانی باشدپودر فلز متخلخلترکیب تغییر می کند اختلاط پودر کنترل شده در سطح مشترک لایه ها باعث ایجاد انتقال تدریجی برای ساختارهای قوی تر می شود. تولیدکنندگان ممکن است از پنج لایه پودر یا بیشتر برای به حداکثر رساندن عملکرد استفاده کنند.

دقت در نسبت های اختلاط، ثبات تولید را تعیین می کند. مقادیر پودر بر عملکرد فیلتر بین دسته ها تأثیر می گذارد. سیستم‌های جابجایی پودر خودکار با کنترل‌های وزن‌سنجی، تحمل‌های سختی را برای کاربردهای الکترولیز PEM حفظ می‌کنند که در آن قابلیت پیش‌بینی عملکرد به اندازه قابلیت مطلق مهم است.

نصب‌های الکترولیز ممتاز پودرهای تیتانیوم با خلوص{0} بالا را توجیه می‌کنند که دارای ASTM درجه 1 یا مشخصات مشابه هستند. این مواد حاوی حداقل عناصر بینابینی و فلزات کمیاب هستند و اطمینان حاصل می کنند که هیچ چیز فرآیند الکتروشیمیایی را به خطر نمی اندازد. آزمایش‌های تحلیلی سطوح خلوص را تأیید می‌کند، با مشخصات معمولی که به محتوای تیتانیوم بالاتر از 99.5٪ و محدودیت‌های ناخالصی فردی در محدوده-در-میلیون قطعات نیاز دارد.

کاربردهای متوسط{0}}اغلب با پودرهای تیتانیوم با خلوص تجاری{{1}به اندازه کافی عمل می کنند. این مواد به طور قابل توجهی هزینه کمتری دارند و در عین حال مقاومت در برابر خوردگی عالی و رسانایی معقول دارند. نقطه تصمیم معمولاً شامل ارزیابی بحرانی بودن سیستم و اقتصاد هزینه جایگزینی است. یک تأسیسات تولید هیدروژن در مقیاس مگاوات{5}}ممکن است پودرهای ممتاز را برای به حداکثر رساندن زمان کار مشخص کند، در حالی که یک تأسیسات تحقیقاتی می‌تواند درجه‌های تجاری را برای کنترل هزینه‌های سرمایه بپذیرد.

شکل ذرات پودر بر رفتار پخت و خواص نهایی تأثیر می گذارد. ذرات کروی تولید شده از طریق اتمیزاسیون گاز به طور موثر بسته می شوند و شبکه های منفذی یکنواخت ایجاد می کنند. ذرات زاویه‌ای حاصل از پردازش هیدرید{2}}دهیدرید، درهم‌بستگی مکانیکی بیشتری را ایجاد می‌کنند و ساختارهای متخلخل قوی‌تری تولید می‌کنند. مورفولوژی های نامنظم معمولاً هزینه کمتری نسبت به اشکال کروی دارند و فرصت بهینه سازی دیگری را ارائه می دهند.

ویژگی های سطح نیز مهم است. سطوح صاف ذرات ساختارهای منافذ تمیزتری با مقاومت جریان کمتر ایجاد می کنند. سطوح زبرتر پیوند ذرات-به-ذره را در حین پخت افزایش می‌دهند و خواص مکانیکی را بهبود می‌بخشند. اولویت های کاربردی تعیین می کنند که کدام ویژگی ها شایسته تاکید هستند. فیلترهایی که بر افت فشار کم تاکید دارند از پودرهای صاف و کروی بهره می برند، در حالی که آنهایی که دوام مکانیکی را در اولویت قرار می دهند ممکن است ذرات زاویه ای با سطوح خشن تر را مشخص کنند.

پودرهای تیتانیوم با اکسیژن کم{0} عملکرد الکتریکی برتر را در مناطق فیلتراسیون فعال الکتروشیمیایی ممکن می‌سازد. دستیابی به سطوح اکسیژن زیر 1000 پی پی ام نیاز به پردازش و جابجایی دقیق پودر دارد. تولیدکنندگان باید در طول عملیات سنگ زنی، غربالگری و بسته بندی اتمسفر بی اثر را حفظ کنند تا از آلودگی جوی جلوگیری شود.

بهبود رسانایی ناشی از کاهش محتوای اکسیژن به طور مستقیم به افزایش بازده الکترولیزگر تبدیل می شود. حتی کاهش‌های مقاومت متوسط ​​نیز در نواحی بزرگ الکترود و دوره‌های عملیاتی مداوم جمع می‌شوند. تجزیه و تحلیل اقتصادی اغلب حق بیمه پودرهای اکسیژن کم{{2} را در تولید تجاری هیدروژن که در آن هزینه های انرژی بر هزینه های عملیاتی غالب است، توجیه می کند. سیستم‌های کوچک‌تر با چرخه‌های کاری کم‌تر ممکن است به طور منطقی مواد استاندارد حاوی اکسیژن را انتخاب کنند بدون اینکه تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد داشته باشند.

چگالی نهایی فیلتر و استحکام مکانیکی به فعالیت تف جوشی پودر بستگی دارد که ذرات را در دماهای بالا پیوند می دهد. پودرهای{1}}با فعالیت بالا، گردن های بین ذره ای قوی را تشکیل می دهند و ساختارهای قوی را در شرایط پخت ملایم ایجاد می کنند. برای اتصال ذرات فعال کمتر به دماهای بالاتر یا مدت زمان پردازش بیشتر نیاز است.

تف جوشی به اندازه ذرات، شیمی سطح پودر و تاریخچه تولید متکی است. پودرهای تازه به دلیل اکسیداسیون سطحی در حین نگهداری فعال تر از پودرهای قدیمی هستند. برای حفظ کیفیت هدف، تولیدکنندگان پروفیل های دما و ترکیبات محیطی را در حین ساخت روش های پخت تغییر می دهند.

کاربردها به مقاومت مکانیکی متفاوتی نیاز دارند. فیلترهای گذرای فشار و جریان نیاز به ساختارهای مقاوم در برابر خستگی- دارند. کاربردهای استاتیکی امکان تف جوشی سبک تر را برای حداکثر تخلخل فراهم می کند. برای اطمینان از اینکه تامین کنندگان پودر مواد تولیدی-بهینه را ارائه می دهند،پودر فلز متخلخلمشخصات باید شرایط پخت را مشخص کند.

یکنواختی مقدار زیادی پودر-به-برای تکرارپذیری تولید بسیار مهم است. فرآیند تف جوشی توزیع اندازه ذرات، ترکیب شیمیایی و ویژگی های سطح را به کیفیت فیلتر منتقل می کند. نیاز به پودر فشرده این نوسانات را کاهش می دهد و دقت ساخت را تضمین می کند.

تامین کنندگان پودر خوب از کنترل های فرآیند آماری برای ردیابی ویژگی های کلیدی در طول دوره های تولید استفاده می کنند. هنگامی که کیفیت پودر در محدوده محدودیت های مشخصات قرار می گیرد، سازندگان فیلتر ممکن است تنظیمات پردازش را با استفاده از گواهی های تجزیه و تحلیل تغییر دهند. علیرغم تغییرات پودر، این یکپارچه سازی سیستم کیفیت تضمین می کند که فیلترهای تکمیل شده الزامات عملکرد را برآورده می کنند.

هزاران عنصر فیلتر همسان برای پروژه های بزرگ الکترولیز مورد نیاز است. این قوام نیاز به عرضه پودر پایدار و تولید کنترل شده دارد. قابلیت اطمینان زنجیره تامین پودر و قطع عرضه یا تغییرات احتمالی مشخصات باید در برنامه ریزی پروژه در نظر گرفته شود.

انتخاب اولیه پودر به طرق مختلف بر هزینه های مالکیت کلی تأثیر می گذارد. پودرهای درجه یک گران تر هستند اما ممکن است دوام بیشتری داشته باشند و جایگزینی و نگهداری را به حداقل برسانند. گریدهای پودر ارزان‌تر قیمت قطعات پایین‌تری دارند اما نیاز به نگهداری بیشتری دارند.

قیمت پودر، طول عمر فیلتر، نیروی کار جایگزین و زمان از کار افتادن سیستم باید در تحلیل هزینه چرخه عمر در نظر گرفته شود. بهترین گزینه بستگی به برنامه دارد. فعالیت های صنعتی مستمر با هزینه های قابل توجه از کار افتادن، مواد درجه یک را برای عمر مفید انتخاب می کنند. مواد درجه متوسط-که اغلب به‌روزرسانی می‌شوند ممکن است در هزینه‌های عملیات دسته‌ای یا نصب با تعمیر و نگهداری دوره‌ای صرفه‌جویی کنند.

انتخاب پودر بر مکانیسم های تخریب تاثیر می گذارد. مواد-با خلوص بالا در برابر حملات شیمیایی مقاومت می‌کنند، اما اگر متخلخل نشوند ممکن است به صورت مکانیکی فرسایش پیدا کنند. به دلیل تف جوشی متراکم تر، پودرهای تجاری ذرات را بهتر حفظ می کنند اما سریعتر خورده می شوند. عمر سرویس با تطبیق خواص پودر با حالت های شکست غالب افزایش می یابد.