主题：【分享】气相色谱中的氢气发生器

在气相色谱的使用过程中，氢气的用途主要有以下几种：一方面使用氢气作为气相色谱分析的载气，进行样品分离和分析；另一方面，当使用毛细柱进行分析时，一般需要使用与载气相同的气体作为尾吹气；再则，使用FID、FPD和NPD做检测器时候，需要使用氢气作为燃气，和空气燃烧以提供火焰；此外，当仪器使用转化炉时候，需要额外的氢气用作反应气体和CO、CO2发生反应生成甲烷。

常用的氢气供给方式包括使用钢瓶氢气和使用氢气发生器来提供。

钢瓶氢气需要向气体供应商购买；氢气发生器的种类、原理和结构多种多样，从原理上来讲都属于电解制氢，详细的来讲一般分为三种，区别在于电解槽的类型，即：碱性电解槽、基于离子交换技术的聚合物薄膜电解槽和固体氧化物电解槽。

在实验室中，使用的一般是碱性电解槽制氢和聚合物薄膜电解槽制氢两种。

一 氢气发生器的一般流路

一般而言，氢气发生器的工作流程为：碱性电解液在电解池中电解后，潮湿的氢气进入气液分离器分离出氢气，再经过干燥器之后，通过针型阀输入到气相色谱仪中。



下图为SPH-300A型全自动氢气发生器的示意图



也有将电解液储液桶置于发生器外部的，如下图：



两者只是外观不一样，结构和原理则为一致。

二 氢气发生器的电解槽原理

氢气发生器从原理上来讲都属于电解制氢，具体的区别在于核心部件电解槽的类型，即：碱性电解槽、基于离子交换技术的聚合物薄膜电解槽和固体氧化物电解槽。

以下将介绍在实验室中使用的碱性电解槽制氢和聚合物薄膜电解槽制氢。

1 使用碱性电解槽制氢

碱性电解槽是最常用、技术最成熟、也最经济的电解槽，并且易于操作，在目前广泛使用，但缺点是其效率最低



碱性电解槽主要由电源、电解槽箱体、电解液、阴极、阳极和横隔膜组成。电解液都是氢氧化钾溶液(KOH)，浓度为20％～30％；横隔膜主要由石棉组成，主要起分离气体的作用，而两个电极则主要由金属合金组成。

其工作的主要原理是：在阴极，水分子被分解为氢离子（H+）和氢氧根离子（OH-），氢离子得到电子生成氢原子，并进一步生成氢分子（H2）；氢氧根离子（OH-）则在阴、阳极之间的电场力作用下穿过多孔的横隔膜，到达阳极，在阳极失去电子生成一个水分子和氧分子。

碱性电解槽制氢的特点是：氢氧根离子（OH-）在阴、阳极之间的电场力作用下穿过多孔的横隔膜。

2 聚合物薄膜电解槽制氢

聚合物薄膜电解槽制氢（PEM），一些地方也称之为固体聚合物电解质（SPE）水电解制氢。该种原理不需电解液，只需纯水，比碱性电解槽安全，电解槽的效率可以达到85％或以上，但由于在电极处使用铂等贵重金属，薄膜材料也是昂贵的材料，故PEM电解槽目前还难以投人大规模的使用。



其工作的主要原理是：去离子水被供到膜一电极组件上，在阳极侧反应析出氧气、氢离子和电子；电子通过电路传递到阴极，氢离子以水合的形式(H+·XH20)通过离子交换膜到阴极；在阴极，氢离子和电子重新结合形成氢气，同时，部分水也带到了阴极。

聚合物薄膜电解槽制氢的特点是：氢离子（H+）在阴、阳极之间的电场力作用下穿过离子交换膜。

三 氢气的净化

氢气从电解槽电解出来之后，都需要经过净化才能供气相色谱仪使用，常用的净化方式主要有以下几种：

1 硅胶/分子筛净化系统

硅胶和分子筛净化系统属于氢气发生器常用的净化装置。一般而言，在室温下使用硅胶初步脱水，分子筛进一步脱水。由于硅胶价格便宜、活化再生方便，应此是使用最为广泛的脱水方式。

需要注意的是，当硅胶吸附水分之后，会由天蓝色变为粉红色，应当及时更换。



2 变压吸附净化系统

变压吸附净化方式在氮气发生器中也有使用。

变压吸附(PSA)是一项用于气体分离的技术，变压吸附(PSA)技术的基本原理是利用吸附剂及不同压力下对不同物质的吸附容量的不同从而达到气体分离的目的。其基本过程是在高压下吸附剂将气体中的杂质吸附，目标气体（H2）被吸附相对较少，穿过吸附层成为所需的产品气；然后在低压下，被吸附的杂质气解吸出来。这样的过程反复循环，最终的得到足量的产品气（H2）。

3 钯薄膜净化系统

除了上述两种净化方式之外，有的厂家提供了采用钯薄膜的净化系统，其基本原理是利用高温下只有氢原子才能穿透钯银合金薄膜的特性来进行净化。当氢原子穿透钯银合金薄膜之后，在钯薄膜的另一侧，单原子氢重新组合为双原子氢气。



根据相关厂家说明，此种方法可以产生超高纯度氢气，几乎无水分或氧气携带，纯度超过 99.99999%

四 氢气发生器的简单对比

在实际的使用过程中，选择氢气发生器一般原则是选择电解槽的类型和净化的方式。

1 从电解槽的类型来看

可以参考下表：



相对而言，采用聚合物薄膜电解槽制氢具有较多的优势，但是价格较贵。

2 从净化方式来看

硅胶/分子筛净化系统可以满足气相色谱常规分析纯度的一般要求，与其他提纯方法相比，性价比高。

变压吸附净化系统和钯薄膜净化系统都可以提供高纯度的氢气，但是价格较贵，也会存在一些操作上需要多加注意的地方。

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目前而言，市面上较多的是采用碱性电解槽+硅胶/分子筛净化系统的氢气发生器，可以满足一般分析的需求