آنالیز گاز هیدروژن، تضمین تشخیص ناخالصی‌ها و خلوص واقعی با استاندارد سپهر گاز کاویان. 02146837072 -09120253891

گاز هیدروژن، ساده‌ترین عنصر جدول تناوبی، به واسطه ویژگی‌های منحصر به فردش از جمله سبکی و پتانسیل بالا برای تولید انرژی پاک، به عنوان یکی از ارکان اصلی تحول در بخش انرژی جهان شناخته می‌شود. کاربردهای گاز هیدروژن از صنعت سنگین (مانند تولید آمونیاک و متانول) تا فناوری‌های نوین (مانند پیل‌های سوختی و ذخیره‌سازی انرژی) گسترده است. با این حال، این عنصر حیاتی، تنها زمانی می‌تواند نقش خود را به درستی ایفا کند که با درجه خلوص بسیار بالا در اختیار باشد.

کوچکترین ناخالصی‌ها می‌توانند عملکرد، ایمنی و عمر مفید تجهیزاتی که با هیدروژن کار می‌کنند را به شدت تحت تأثیر قرار دهند. بنابراین، فرآیندهای تولید، تصفیه، و به ویژه آنالیز و کنترل کیفیت گاز هیدروژن، به یک علم و صنعت تخصصی تبدیل شده‌اند. این مقاله به بررسی دقیق اهمیت خلوص، شناسایی ناخالصی‌های رایج و معرفی روش‌های پیشرفته‌ای می‌پردازد که امروزه برای تضمین کیفیت این حامل انرژی کلیدی به کار گرفته می‌شوند.

اهمیت خلوص هیدروژن در کاربردهای کلیدی

اهمیت درجه خلوص هیدروژن را می‌توان در سه حوزه اصلی بررسی کرد: پیل‌های سوختی، صنایع شیمیایی، و تحقیقات علمی. کیفیت گاز هیدروژن ورودی مستقیماً با کارایی و دوام سیستم مرتبط است.

پیل‌های سوختی (Fuel Cells): قلب تپنده اقتصاد هیدروژنی

پیل‌های سوختی، به ویژه نوع غشای تبادل پروتون (PEM) که در وسایل نقلیه و مصارف کوچک خانگی کاربرد دارند، به شدت به گاز هیدروژن با خلوص بسیار بالا نیازمندند. کاتالیزورهای فلزی گران‌بهایی مانند پلاتین که در این پیل‌ها به کار می‌روند، نسبت به ناخالیسی‌های شیمیایی بسیار حساس هستند. کوچکترین میزان آلودگی توسط موادی نظیر مونوکسید کربن، دی‌اکسید گوگرد، یا ترکیبات آلی می‌تواند منجر به “مسمومیت کاتالیزور” شود. این مسمومیت باعث کاهش دائمی سطح فعال کاتالیزور و در نتیجه افت شدید توان خروجی و عمر مفید پیل سوختی خواهد شد. برای حفظ عملکرد در سطح استاندارد، خلوص گاز هیدروژن معمولاً باید در حد ۹۹.۹۹۹ درصد یا بالاتر باشد.

صنایع شیمیایی و متالورژی

در فرآیندهای صنعتی مانند تولید آمونیاک از طریق فرآیند هابر-بوش، گاز هیدروژن به عنوان ماده اولیه اصلی مصرف می‌شود. در این مقیاس، ناخالصی‌های فرآیندی مانند دی‌اکسید کربن باقی‌مانده از تولید، یا مونوکسید کربن، می‌توانند نه تنها به کاتالیزورها آسیب بزنند، بلکه تعادل شیمیایی واکنش‌ها را به هم ریخته و منجر به کاهش بازده تولید شوند.

همچنین در متالورژی، به عنوان گاز محافظ (Shielding Gas) در جوشکاری و تولید مواد حساس مانند نیمه‌هادی‌ها، وجود ناخالصی‌هایی مانند اکسیژن یا نیتروژن یک تهدید جدی محسوب می‌شود. اکسیژن در دماهای بالا منجر به اکسیداسیون سطح فلز یا نیمه‌هادی و ایجاد عیوب ساختاری می‌شود. نیتروژن نیز می‌تواند در واکنش با فلزات داغ، نیتریدها را تشکیل دهد که خواص مکانیکی و الکتریکی ماده نهایی را تخریب می‌کند. در این بخش‌ها، خلوص بالا برای حفظ یکپارچگی محصول نهایی ضروری است.

کاربردهای عمومی و ذخیره‌سازی

حتی در کاربردهای به ظاهر ساده‌تر مانند استفاده به عنوان گاز حامل در آزمایشگاه‌های کروماتوگرافی یا پر کردن مخازن ذخیره، خلوص پایین می‌تواند نتایج تحلیلی را نادرست جلوه دهد یا در سیستم‌های تحت فشار بالا، ریسک‌های ایمنی عملیاتی (به دلیل واکنش‌های ناخواسته با مواد سازنده) را افزایش دهد.

ناخالصی‌های رایج در هیدروژن و منابع آن‌ها

ناخالصی‌ها بر اساس فرآیند تولید گاز هیدروژن طبقه‌بندی می‌شوند. گاز هیدروژن می‌تواند از منابع مختلفی مانند اصلاح بخار متان (SMR)، تجزیه به روش الکترولیز آب، یا به عنوان محصول جانبی در فرآیندهای الکتروشیمیایی به دست آید. هر منبع، پروفایل ناخالصی خاص خود را به همراه دارد.

هیدروژن تولید شده از روش‌های مبتنی بر سوخت فسیلی (سفید و آبی)

در روش اصلاح بخار متان (SMR) که متداول‌ترین روش تولید صنعتی است، هیدروژن از گاز طبیعی تولید می‌شود. ناخالصی‌های اصلی در این فرآیند عبارتند از:

دی‌اکسید کربن (کربن دی‌اکسید): محصول جانبی اصلی واکنش است. در تولید گاز هیدروژن خاکستری، این گاز معمولاً در مرحله پس از تصفیه باقی می‌ماند. در تولید هیدروژن آبی، هدف اصلی جذب این گاز است، اما بقایای آن باید کنترل شود.
مونوکسید کربن: یک ناخالصی حیاتی که علاوه بر سمی بودن، به شدت کاتالیزورهای پیل سوختی را مسموم می‌کند و باید تا سطوح زیر ده بخش در میلیون حذف گردد.
آب: رطوبت باقی‌مانده از مراحل واکنش و جذب گازهای اسیدی که باید با استفاده از سیستم‌های خشک‌کننده حذف شود.
ترکیبات گوگردی: در صورت استفاده از خوراک گازی طبیعی حاوی گوگرد، باقی‌مانده‌هایی مانند سولفید هیدروژن باید کاملاً حذف شوند، زیرا حتی در غلظت‌های بسیار پایین نیز برای کاتالیزورها مهلک هستند.

هیدروژن تولید شده از الکترولیز (هیدروژن سبز)

اگرچه این روش به عنوان پاک‌ترین منبع شناخته می‌شود، اما ناخالصی‌ها عمدتاً ناشی از منبع آب و کارایی سیستم الکترولیز هستند:

اکسیژن: باقی‌مانده‌ای از واکنش الکترولیز آب که باید به دقت کنترل شود. حضور اکسیژن در گاز هیدروژن بسیار خطرناک است زیرا مخلوط‌های انفجاری ایجاد می‌کند و عمر مفید تجهیزات را به شدت کاهش می‌دهد.
بخار آب: رطوبت باقی‌مانده که به دلیل فرآیند تولید با آب به صورت بخار وارد جریان گاز می‌شود.
یون‌های محلول: یون‌های قلیایی یا اسیدی ناشی از تجزیه یا شستشوی غشاهای الکترولایزر که می‌توانند به گاز منتقل شده و در سیستم‌های حساس رسوب ایجاد کنند.

ناخالصی‌های ناشی از سیستم توزیع و ذخیره‌سازی

حتی پس از خالص‌سازی اولیه در محل تولید، آلودگی می‌تواند در مراحل بعدی رخ دهد. فرآیندهای فشرده‌سازی، لوله‌کشی، ذخیره‌سازی در مخازن تحت فشار یا حمل و نقل با تانکرها، خود می‌توانند منبع آلودگی باشند. نشت در سیستم یا خوردگی مواد ساختاری می‌تواند منجر به ورود نیتروژن (از نفوذ هوا)، هیدروکربن‌ها (از روغن‌های کمپرسور) یا ذرات جامد معلق به جریان گاز هیدروژن شود. این ناخالصی‌های ثانویه اغلب نادیده گرفته می‌شوند اما در کاربردهای حساس، عامل شکست محسوب می‌گردند.

روش‌های پیشرفته آنالیز و تعیین خلوص هیدروژن

اندازه‌گیری ناخالصی‌ها در محدوده غلظت‌های بسیار پایین، مانند پارت در میلیون (ppm) یا پارت در میلیارد (ppb)، نیازمند تکنیک‌های تحلیلی بسیار حساس، انتخابی و قابل اطمینان است. انتخاب روش مناسب بستگی به نوع ناخالصی مورد نظر و سطح خلوص مورد نیاز دارد.

کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography – GC)
کروماتوگرافی گازی یکی از پرکاربردترین و اصلی‌ترین ابزارها برای آنالیز چندجزئی گاز هیدروژن خالص است. این روش بر اساس جداسازی اجزای مخلوط گازی هنگام عبور از یک ستون بلند با فاز ثابت انجام می‌شود.

کاربرد و آشکارسازها: برای آنالیز هیدروژن، از تکنیک‌های پیشرفته GC استفاده می‌شود. آشکارسازهایی مانند آشکارساز یونش حرارتی (TCD) برای اندازه‌گیری گازهایی که ساختار شیمیایی متفاوتی با گاز هیدروژن دارند (مانند نیتروژن و آرگون) به کار می‌رود. برای ناخالصی‌های جزئی‌تر (مانند متان و مونوکسید کربن)، از ستون‌های خاص و آشکارسازهای حساس‌تر مانند آشکارساز احتراق کاتالیزوری (FID) یا آشکارسازهای مبتنی بر هدایت الکتریکی استفاده می‌شود.
مزیت: این روش به دلیل توانایی اندازه‌گیری همزمان چندین ناخالصی کلیدی در یک آنالیز تکی، بسیار کارآمد است و برای تأیید درجه خلوص در گرید‌های پایین‌تر تا متوسط مناسب است.

اسپکترومتری جرمی (Mass Spectrometry – MS)
اسپکترومتری جرمی یک ابزار فوق‌العاده قدرتمند است که قابلیت اندازه‌گیری خلوص را تا سطوح بسیار پایین، یعنی در محدوده پارت در میلیارد، فراهم می‌سازد. این روش با یونیزه کردن مولکول‌های گاز نمونه و سپس تفکیک آنها بر اساس نسبت جرم به بار، هویت دقیق و غلظت هر جزء را مشخص می‌کند.

کاربرد تخصصی: اسپکترومتری جرمی به ویژه برای شناسایی و اندازه‌گیری ناخالصی‌های غیرمنتظره، ترکیبات آلی فرار، یا آلاینده‌هایی که در سطوح بسیار پایین حضور دارند، ایده‌آل است. در مواردی که نیاز به تأیید خلوص بالاتر از99.999 است، MS اغلب به عنوان روش مرجع یا تأییدی به کار گرفته می‌شود.
حساسیت و پیچیدگی: اگرچه این روش بسیار حساس است، اما نیاز به پایداری بالا و تجهیزات پیچیده‌تر برای نمونه‌برداری از گاز هیدروژن دارد تا از آلودگی نمونه جلوگیری شود.

آشکارسازهای جریانی اختصاصی (Dedicated Online Analyzers)
برای نظارت مستمر و فوری بر ناخالصی‌هایی که بیشترین تأثیر مخرب را دارند (مانند مونوکسید کربن و اکسیژن)، از آشکارسازهای تک‌منظوره استفاده می‌شود که به طور مستقیم روی خط تولید یا توزیع نصب می‌گردند.

آنالایزرهای مونوکسید کربن: برای پیل‌های سوختی حیاتی هستند و با استفاده از سنسورهای الکتروشیمیایی یا روش‌های طیف‌سنجی مادون قرمز، غلظت
CO را به صورت لحظه‌ای پایش می‌کنند.
آنالایزرهای اکسیژن: معمولاً از سلول‌های الکتروشیمیایی مبتنی بر زیرکونیا یا سنسورهای پارامغناطیسی استفاده می‌کنند تا اکسیژن باقی‌مانده در گاز هیدروژن سبز را به طور پیوسته کنترل کنند.
آنالایزرهای رطوبت: برای اندازه‌گیری دقیق میزان بخار آب باقی‌مانده، که می‌تواند عملکرد قطعات الکترونیکی و غشایی را مختل کند، از تکنیک‌هایی مانند پایش نقطه شبنم یا سنسورهای خازنی دقیق استفاده می‌شود.

روش‌های نوری و لیزری
تکنیک‌هایی مانند طیف‌سنجی جذب لیزری قابل تنظیم (TDLAS) به دلیل سرعت پاسخ بسیار بالا و عدم نیاز به تماس مستقیم با نمونه، برای نظارت در زمان واقعی (Real-Time Monitoring) محبوبیت یافته‌اند. این روش‌ها با اندازه‌گیری جذب نور در طول موج‌های خاص توسط مولکول‌های آلاینده، امکان کنترل فرآیندهای تصفیه را به صورت لحظه‌ای و خودکار فراهم می‌سازند.

استانداردسازی خلوص و چالش‌های اندازه‌گیری

کنترل کیفیت هیدروژن بر اساس استانداردهای بین‌المللی تعریف می‌شود که معمولاً بر اساس میزان “9” یا درصد خلوص بیان می‌شوند.

استانداردهای رایج خلوص
در سطح جهانی، مشخصات فنی برای خلوص گاز هیدروژن وجود دارد که اغلب بر اساس نیاز کاربرد تعریف می‌شوند:

گرید ۳.۰: خلوص ۹۹.۹٪. مناسب برای مصارف صنعتی عمومی یا به عنوان گاز محافظ غیرحساس.
گرید ۴.۵: خلوص ۹۹.۹۹۵٪. استاندارد رایج برای بسیاری از کاربردهای شیمیایی و به عنوان سوخت در برخی سیستم‌های پیل سوختی قدیمی‌تر.
گرید ۵.۰ و بالاتر: خلوص ۹۹.۹۹۹٪ یا بیشتر (مانند گرید ۵.۵ یا ۶.۰). این درجه خلوص برای پیل‌های سوختی پیشرفته، تولید نیمه‌هادی‌ها و کاربردهای پژوهشی حیاتی است.