Introdução ao Pós-Tratamento de Hidrogênio em Sistemas de Eletrólise Alcalina

No processo de eletrólise de água alcalinaO gás hidrogênio produzido na saída do eletrolisador normalmente tem pureza superior a 99,8%, mas contém impurezas como vapor d'água, traços de oxigênio e névoa alcalina. Se não forem removidas, essas impurezas não atendem aos rigorosos requisitos das aplicações industriais modernas.

Por exemplo, em campos industriais de precisão:

Os processos de revestimento de liga dura exigem pureza de hidrogênio de 99,999% e um ponto de orvalho abaixo de -65°C.

A produção de silício para materiais semicondutores exige um teor de oxigênio no hidrogênio inferior a 5 ppm e um ponto de orvalho abaixo de -50 °C. Isso ocorre porque o oxigênio dissolvido pode alterar a resistividade do silício monocristalino ou até mesmo alterar seu tipo de condutividade.

Além disso, no tratamento térmico de metais em alta temperatura, metalurgia do pó, circuitos microeletrônicos, componentes optoeletrônicos e síntese química, até mesmo traços de oxigênio ou umidade no hidrogênio podem causar oxidação de matérias-primas em altas temperaturas, comprometendo severamente a qualidade do produto.

Portanto, o hidrogênio do eletrolisador a saída geralmente requer tratamento em vários estágios para atender aos padrões industriais.

1. Separação gás-líquido

Objetivo: Separar o hidrogênio e a solução alcalina da mistura gás-líquido na saída do eletrolisador para evitar que a solução alcalina afete negativamente o equipamento de purificação e secagem a jusante.

Fluxo do processo:

A mistura gás-líquido entra em um separador gás-líquido por meio de tubulação. Devido à significativa diferença de densidade entre o hidrogênio e a solução alcalina, a solução alcalina se deposita por gravidade, enquanto o hidrogênio sobe, formando uma interface gás-líquido. A solução alcalina se acumula no fundo do separador, enquanto o hidrogênio passa por um depurador cheio de água na seção superior, onde as impurezas são absorvidas ou dissolvidas. Um demister dentro do separador captura ainda mais as gotículas de líquido, que se aglutinam em almofadas de malha e retornam à solução alcalina por gravidade. O hidrogênio completamente separado prossegue então para a próxima etapa de tratamento.

2. Desoxigenação catalítica

Objetivo: Converter oxigênio residual no hidrogênio em água para remoção de oxigênio.

Fluxo do processo:

O hidrogênio separado entra em um tanque de desoxigenação, onde ocorre uma reação catalítica em altas temperaturas (150–200 °C). O hidrogênio e o oxigênio reagem sobre um catalisador de paládio para formar água. O catalisador adsorve moléculas de gás, reduzindo a energia de ativação e garantindo a reação completa, reduzindo o teor de oxigênio para menos de 5 ppm. O gás reagido passa então por um resfriador, onde parte do vapor d'água se condensa, produzindo hidrogênio mais puro.

3. Secagem por adsorção

Finalidade: Remover vapor de água para atender aos requisitos de ponto de orvalho industrial.

Fluxo do processo:

Normalmente é empregado um sistema de adsorção de três tanques, com cada tanque preenchido com dessecantes de alta capacidade e alto desempenho.

O hidrogênio da etapa de desoxigenação entra no tanque A pela parte inferior (no modo de adsorção). O dessecante adsorve a umidade e o gás seco sai pela parte superior.

Simultaneamente, o tanque B (no modo de regeneração) é aquecido para liberar a umidade adsorvida na forma de vapor, que é levado pelo hidrogênio e condensado em um refrigerador.

O hidrogênio então entra no tanque C (em modo de espera) na parte inferior, onde a umidade residual é adsorvida, e o produto final, hidrogênio, sai pela parte superior.

Este processo atinge um ponto de orvalho abaixo de -70°C (teor de água <10 ppm).

Para garantir a operação contínua, os tanques giram ciclicamente. Quando o tanque A fica saturado, o tanque C muda para o modo de adsorção, o tanque A entra em regeneração e o tanque B entra em modo de espera, mantendo a purificação ininterrupta.

Perspectivas futuras

Com a diversificação das aplicações do hidrogênio, as indústrias a jusante (downstream) estão exigindo especificações ainda mais rigorosas de pureza (por exemplo, ≥99,999% de hidrogênio de alta pureza) e ponto de orvalho (por exemplo, ponto de orvalho ultrabaixo ≤-70°C). Essa tendência está impulsionando avanços nas tecnologias de tratamento de gás em direção a maior eficiência e inteligência, ao mesmo tempo em que orienta a otimização do desempenho em sistemas de produção de hidrogênio. À medida que surgem avanços na ciência dos materiais e no controle de processos, as tecnologias de tratamento de gás de última geração – combinando resposta rápida e purificação precisa – se tornarão um facilitador crucial para o desenvolvimento de alta qualidade em toda a indústria de energia de hidrogênio.