氚老化对钯氢化物氢氘交换行为的影响

论文摘要

金属钯由于抗氧化、抗杂质气体毒化、氢化反应的p-c-T曲线具有平坦的坪区,而且易于活化,吸放氢速度快,其氢化物的同位素效应显著,并具有很快的氢同位素交换速率,因此,广泛应用于氚处理工艺。利用钯氢化物的氢同位素的交换反应可以实现氢同位素的色谱分离、氚的冷卸载以及氢同位素的快速排代。而氚老化对钯及其合金应用性能有怎样的影响?已有的研究报道表明:氚老化会导致其坪压降低、坪斜增加、材料中氚尾增加,力学性能下降,衰变3He聚集形成氦泡,导致晶格膨胀,而且会在材料中形成自间隙原子簇、位错、位错环等结构缺陷。但氚老化对钯氢化物中氢同位素交换性能是否有影响?影响大小如何?这在某些重要的工程应用中是非常关心的,例如,氚老化可能影响钯在氢同位素分离和氢同位素快速排代中的应用性能,但对这些问题,迄今国内外没有公开的文献报道。本文进行了新鲜钯与贮氚老化1.6年和3.5年钯氢化物的恒流速氢-氘交换实验,方法是:将氢气以恒定流速流经填充氘化钯粉的填充柱,改变温度和流速,得到一系列流出曲线,比较实验流出曲线差异,探索氚老化对钯氢化物的氢同位素交换行为的影响。在进行交换实验前,对经过1.6年和3.5年氚老化的钯样品进行了XRD和TEM分析,结果表明:老化使得XRD衍射峰变宽,峰高降低,即使得钯晶格发生畸变,同时,衍射峰略向低角度偏移,说明晶格发生膨胀,老化1.6年钯的晶格常数从3.8900（?）增加为3.8937（?）,而老化3.5年钯的晶格常数则达3.8943（?）,分别增加了0.095%和0.11%。TEM下可清晰观察到老化钯中衰变3He聚集形成的氦泡。氢-氘交换实验结果表明:对于新鲜钯,24℃下,在实验的气相流速范围内(0.38～1.96L·cm-2·min-1),交换均能达到平衡,因此,流速的变化对交换性能几乎没有影响。0℃、24℃和50℃下的交换实验表明,交换效率随着温度的升高而提高。究其原因,是因为温度升高后,氢同位素原子或分子的能量提高,运动速率加快,表面交换速率也随之增加,同时,钯中氢同位素的扩散也加快,因此,交换效率提高,但与老化钯相比,新鲜钯中的氢-氘交换效率对温度的敏感性较小。而因为钯具有正的氢同位素效应,使用氢交换氘的效果比用氘交换氢的效果好。对经过吸氚贮存老化后的钯氢化物,氢同位素的交换效率下降,要达到同样交换效率,交换所需的氢量增加,且交换效率随着老化时间的增长而下降。因为滞留在钯晶格中的衰变3He会聚集形成氦泡,对氢同位素形成深度捕陷,一方面降低氢同位素分子或原子间的交换速率,另一方面阻碍氢同位素在固相的扩散,从而导致老化钯中氢-氘交换性能下降。同流速、不同温度下的氢-氘交换实验表明,老化钯中的氢-氘交换效率对温度更敏感。当利用钯氢化物的氢氘交换反应进行氢同位素的置换色谱分离时,氚老化后,色谱流出曲线过渡区变宽,且拖尾增长,1.6年老化钯中过渡区宽度为新鲜钯的1.5倍,而3.5年老化钯中则为2倍,氢同位素的分离性能下降,同样的进样量下,在色谱柱末端得到的纯产品气的量减少。而当进行氢同位素的快速排代时,氚老化会导致排代效率下降,恒流速条件下,同样达到99%的排代效率时,排代所使用的氢的量增加,老化1.6年和3.5年后分别增加7.7%和23%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 钯-氢体系的基本性质
• 1.2 钯氢化物的氢同位素交换
• 1.3 钯-氢体系的氚老化效应
• 1.3.1 氚老化对钯及其合金吸放氢同位素热力学性质的影响
• 1.3.2 氚老化对钯及其合金力学性能的影响
• 1.3.3 氚老化对钯及其合金微观结构的影响
• 1.3.4 钯及其合金中氦的行为
• 1.4 本课题的研究目的及意义
• 第二章 氢-氘交换反应实验
• 2.1 钯的贮氚老化
• 2.2 实验系统的组建
• 2.3 实验前老化钯的预处理
• 2.4 钯氢化物的氢同位素交换反应规律
• 2.5 实验程序
• 第三章 老化钯XRD及TEM分析
• 第四章 新鲜钯的氢-氘交换行为及其影响因素
• 4.1 气体流速对交换行为的影响
• 4.2 温度对氢-氘交换行为的影响
• 4.3 氢同位素效应对交换行为的影响
• 第五章 老化钯氢-氘交换实验结果及其与新鲜钯的对比
• 5.1 1.6年老化钯与新鲜钯氢-氘交换实验结果对比
• 5.2 3.5年老化钯与新鲜钯氢-氘交换实验结果对比
• 5.3 氚老化对钯氢化物的氢氘交换的影响
• 第六章 讨论
• 6.1 氚老化对钯氢化物的氢同位素交换工程应用性能的影响
• 6.2 氚老化对钯氢化物中氢氘交换影响的机理分析
• 6.2.1 氚老化对表面交换过程的影响分析
• 6.2.2 氚老化对固相过程的影响分析
• 6.2.3 塔板理论分析
• 6.3 工作展望
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录