氢同位素的交换与置换

固体表面吸附的氢同位素具有自发与气相氢同位素交换并达到某种程度平衡的性质，这种交换作用在金属氢化物表面同样存在。由于金属氢化物体系一般具有氢同位素效应，使得交换平衡时气-固相间的同位素丰度发生变化。利用这种性质可以进行金属氢化物柱内氢同位素间的置换，实现工程方面的应用。     

金属氢化物柱内氢同位素的快速排代

为寻找能实现快速排代的金属氢化物,对ZrCo、LaNi5、LaNi4.7Al0.3和Pd材料的填充柱进行了氢氘间的一维排代实验研究,结果表明排代速率与温度、固相比表面积及分离因子等因素有关;室温下Pd氢化物具有最快的排代速率,其次是LaNi5,LaNi4.7Al0.3,ZrCo.通过微观的气-固交换过程分析,定性揭示了影响排代速率的因素和条件.高流速排代实验证明,用Pd作柱填充材料,可以实现氢同位素的快速排代.     

金属氢化物法分离氢同位素研究进展

简要介绍了近50多年来金属氢化物法氢同位素分离研发进展和现状。基于金属氢化物法在化学吸附平衡上的差异,各国发展了多种增强该吸附差异的氢同位素分离方法,并对相关吸附材料进行了研究。本文主要介绍了金属氢化物分离氢同位素方法的产生、发展简史,以及各国相关研究的特点和最新进展,并对今后的氢同位素分离研究发展提出初步的想法。     

甲烷的氢同位素交换的热力学理论计算

应用密度泛函理论(DFT)/B3LYP/6-31G**方法计算了甲烷的氢同位素交换的各反应标准摩尔生成焓、标准摩尔生成熵、标准摩尔吉布斯自由能和平衡常数.计算结果表明,温度是影响反应热力学的重要因素,较高温度有利于甲烷的氢同位素交换,但温度太高将有较多的积炭生成,欲得到较高的转化率,需要一合适的反应温度.     

水-氢同位素液相催化交换反应过程

描述了水氢同位素液相催化交换反应的模型,并从动力学和反应过程的角度对模型进行了实验验证。验证结果表明:水氢同位素液相催化交换是一个较复杂的传质反应的串联过程,主要包括汽液相间转化和氢同位素催化交换两个反应。     

多钯柱热置换色谱法分离氢同位素

采用多钯柱热置换色谱法建立了一套氢同位素分离的实验装置,研究了钯柱活化时间、原料气的组成及高丰气体的提取比例对分离效果的影响.结果表明,钯柱在500～550℃活化3h,分离温度选定250℃,升温速率10℃/min,在适中的提取比例下,高丰气体可获得最佳的分离效果,该系统能快速地将产品气中氕的体积分数降到1.0％以下.     

用于氢同位素分离的置换色谱分离材料的研究进展

置换色谱法是一种较有优势的氢同位素分离方法,而分离材料的性能是决定置换色谱法分离效果的一个关键因素。目前研究的置换色谱分离材料包括钯材料和很多非钯材料。钯虽然价格昂贵,但由于其出色的分离性能而难以用廉价金属或合金来替代。本文简要介绍了置换色谱法分离氢同位素的原理,重点介绍了几种置换色谱含钯分离材料(纯钯、载钯硅藻土、载钯氧化铝、钯铂合金等)的性能,初步分析了置换色谱分离材料的发展方向。     

水-氢同位素液相催化交换工艺研究

以Pt-SDB为憎水催化剂研究了水-氢同位素液相催化交换工艺，讨论了反应温度、氢气流量、低浓重水流量等工艺条件对催化交换塔传质单元高度(HTU)的影响和反应温度、气液比对催化交换塔阻力降的影响。结果表明：当反应温度为60℃、气液比为1：1时，水-氢同位素液相催化交换工艺是比较适宜的。     

联合电解催化交换系统分离氢同位素影响因素研究

利用建立起来的理论模型,深入研究了联合电解催化交换（Combined Electrolysis and Catalytic Exchange,CECE）工艺中各种因素对氢同位素分离性能的影响。电解池分离因子的提高对浓缩倍数和脱氚率均有显著影响,降低电解池滞留量是提高浓缩倍数的有效手段。进料位置在1．5m处系统性能好于3m处;催化剂传质系数在3—4mol·m-3·s-1范围内,浓缩倍数和脱氚率基本呈线性增长。各种因素对HD／H2O和HT／H2O两个体系的影响具有相似的规律性,由于热力学因素的差异,相同条件下,HT／H2O体系分离性能好于HD／H2O。     

Pt/C对氢同位素交换反应的催化性能研究

采用并流法研究了用不同活性炭担体制备的Pt/C对H2（g）/HDO（v）体系的催化性能,得出Pt/C对氢-水同位素交换反应的活化能为41.3～42.4kJ•mol－1。实验结果表明,采用表面改性活性炭制备的Pt/C对H2（g）/HDO（v）的催化活性比未经改性活性炭制备的Pt/C高出1倍,但两者对水蒸气均为0.77±0.05级反应,其活化能也基本相等,说明活性炭担体表面改性未改变Pt/C对氢-水同位素交换的反应机理。     

填料及填装工艺对水-氢同位素液相催化交换效率的影响

研究了填料及填装工艺对水-氢同位素液相催化交换效率的影响,讨论了亲水填料的选型原则、处理方式、亲水填料与憎水催化剂在催化反应床中的填装比例。结果表明：选用不锈钢三角填料,填料使用前进行表面处理,亲水填料与憎水催化剂按体积比为1：4分层有序填装,均能提高催化反应床的交换效率。     

高分辨氢同位素质谱仪的研制与应用

基于聚变核材料科研和生产、高温气冷堆产氚、氚放射性环境监测的需要设计了一套用于氢同位素分析的高分辨氢同位素质谱仪（HR-IRMS）,通过简单易操作的压强法配气系统,建立了氢氘氚配气装置。所研制的HR-IRMS仪器分辨率达2210,测量精密度达0.02%,相对原子质量范围为1~150。比对分析表明,其具有良好的运行稳定性和测定结果准确性,可实现氢同位素直接分析。     

氢同位素D、T从气相到液相的氢-水交换实验研究

采用Pt-SDB疏水催化剂和亲水填料混装进行含氘、氚氢气与水的液相催化交换实验，研究反应温度、气体流量和液体流量对D、T转化率以及H-D、H-T的总传质系数Kya的影响。研究结果表明：在相同操作条件下，T的转化率η(H-T)比D的转化率η(H-T)高，H-T的总传质系数比H-D的高；从D、T转化率随气体流量和液体流量的变化趋势可知，气体流量对D、T转化率的影响较大；选择合适的反应温度即可获得较佳的转化率和总传质系数。在实际工艺中，反应温度选为45℃较适宜。     

氢同位素氘从气相到液相的催化交换实验研究

采用Pt SDB疏水催化剂与亲水填料按1∶4混装进行氘从气相到液相的催化交换实验,研究影响传质单元数及氘转化率的因素。结果表明:为获得较大的传质单元数,需选择合适的操作温度及交换气流速;液体流量增加,转化率提高,但液体流量达到一定程度时,氘转化率几乎不再变化;催化柱长度对氘转化率有较大影响,交换气流速2 m3/h、液体流量1~2 kg/h、45 ℃时,4 m柱长下的氘转化率达到90%。     

用于氢同位素交换分离的新型Pt/疏水陶瓷催化剂

为提升疏水催化剂性能并扩展其应用范围,以柱状（ø=5 mm）多孔陶瓷为载体,在载体表层构筑氧化铈（CeO₂）微纳结构为载体提供疏水环境,采用浸渍还原法制备用于氢同位素交换分离的新型Pt/疏水陶瓷催化剂。为验证新型疏水催化剂实用性,以X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、X光电子能谱（XPS）、一氧化碳（CO）脉冲吸附、能谱（EDX）对催化剂性能进行综合表征,并采用气汽并流方式测试催化剂催化活性。结果表明,新型陶瓷载体疏水性优良,疏水结构对载体孔结构性能影响较小;疏水层使浸渍液对载体浸润能力下降,铂粒子分散度及零价铂含量降低;浸润能力下降使前驱体多沉积在载体表层而较难渗入载体内部,表层铂粒子含量高,使反应物的反应通道较短,相同时间内有更多的铂粒子参与反应。制得催化剂催化活性可达同种形状有机载体类催化剂催化活性的80%,冲淋12周后,催化活性下降比率小于5%,新型疏水催化剂催化活性及耐冲淋稳定性均较好,实用性佳,具有良好的应用前景。     

贮氢金属中氢同位素的离子束分析方法评估

文章介绍用离子束方法分析贮氢金属中氢同位素含量与分布的实验条件与设计，并分析各自的优、缺点。通过实验测量与分析表明，用离子束分析方法可获得氢同位素含量与分布的丰富信息和精确数值。用6.0MeV的O离子束进行ERD分析的优点是截面为卢瑟福截面，所用的Mylar膜薄，能使H、D、T明显分开，测量精确，缺点则是对样品制备要求高，分析深度小；用7.4MeV的⁴He离子束进行ERD分析能得到H、D、T的分布信息，对Ti的分析深度可达到3.0μm，缺点则是三者的谱图相互重叠，模拟解谱的误差较大；用3.0MeV的质子进行PBS分析，只能获得D、T的分布信息，但分析深度更深。      

金属氢化物柱内氕氘间的排代

在ZrCo,LaNi5,LaNi4 .7Al0 .3和Pd等常用金属的氢化物上 ,进行了气 固间氕氘的一维相互排代实验 ,结果表明 :排代效果与温度、气相流速、固相比表面积及分离因子等因素有关 ;室温下Pd氢化物具有最好的排代性能 ,其次是LaNi5,LaNi4 .7Al0 .3,ZrCo。理论研究表明 ,气 固界面的同位素交换规律决定排代效果 ,排代流出曲线可以用塔板理论模型来描述 ,塔板高度是排代效果优劣的标志。决定塔板高度的首要因素是交换平衡程度 ;同等交换平衡程度下 ,氢同位素效应对板高有重要影响。     

氢-水同位素交换反应热力学理论研究

本文采用量子化学从头计算法对氢同位素分子及相应的氢同位素水分子进行了几何结构优化和振动频率计算,得到了6种氢-水同位素交换体系的热力学函数和气相反应平衡常数。研究结果表明:平衡常数的理论计算值与实验结果吻合,在0.1 MPa和283.2~373.2K的反应条件下,HD-H2O体系平衡常数的计算值与实验值间相对偏差小于6%。     

氢同位素催化交换过程影响因素研究

氢-水催化交换反应是研究氢同位素分离的重要手段,对反应过程中各影响因素的研究是氢同位素分离工作中的重要内容。在自行设计的不锈钢催化交换柱中,装填一定体积比的疏水催化剂与亲水填料,进行H-D体系气液催化交换实验。观察反应温度、气液摩尔比、不同原料水氘浓度对传质系数的影响,讨论了气体流速对床层压力降的影响情况。结果表明,不同气液比下,反应温度为45°C时传质系数最高。传质系数随原料水氘浓度(5.05 20.1)×10 3增加而降低,传质系数在0.58 1.17和2.65 3.56随着气液摩尔比而增加,催化交换柱床层压力降随气体流速而增加。研究发现,反应温度、气液摩尔比和氘浓度等因素均会影响氘的传质系数。     

Pt-SDB疏水催化剂应用于氢-水同位素交换的实验研究

采用气?液逆流方式对苯乙烯-二乙烯基苯共聚物担载金属铂(Pt-SDB)疏水催化剂应用于HD(g)/H2O(l)体系的氢同位素交换进行了实验室规模的中试实验研究;;对该实验系统和Pt-SDB的催化性能作出了评价;;得出了Pt-SDB的总体积传质系数Kya值和各种工艺条件。实验结果表明:当氢气流速为0.2m/s、温度为65℃时;;Pt-SDB与亲水性金属填料按1∶4的体积比混合装柱的Kya平均值达到41.5mol·m?·s?。