H2-H2O液相催化交换法分离氢同位素的研究

论文摘要

氢的三种同位素氕、氘、氚应用广泛,其中氢气可应用于石油化工、电子工业、冶金工业等,氘和氚在核工业和军事领域发挥着重要作用,因此氢同位素的分离和提纯具有十分重要的意义。在众多氢同位素的分离方法中,H2-H2O液相催化交换法以其高效、无毒、无腐蚀性等显著优势引起了各国学者的研究兴趣。实现H2-H2O交换反应的关键是催化剂的选用。目前很多国家包括加拿大、美国、日本、俄罗斯等都已研制出用于H2-H2O交换反应的催化剂,但具体的制备工艺都是保密的,因此必须自力更生研制出高效、稳定且适合工程使用的催化剂。应用H2-H2O液相双温催化交换法可生产重水、超轻水,重水脱氚,还可用于热核聚变堆净化回收氚。通过分析现有用于H2-H2O交换的催化剂,根据H2-H2O双温交换的使用要求设计并制备了用于H2-H2O双温催化交换的冷塔催化剂和热塔催化剂,研究了催化剂的催化活性和H2-H2O液相催化交换工艺,利用H2-H2O液相双温催化交换法制备出了超轻水。具体研究内容如下：1.选择贵金属铂作为催化剂的活性组分,设计并制备了Pt/SDB催化剂和Pt/PTFE催化剂。Pt/SDB催化剂选用苯乙烯和二乙烯苯按1：9的配比制得的悬浮聚合产物SDB作为载体,研究了制备过程中原料的配比、搅拌的速度、搅拌的时间和反应温度,得到了制备SDB载体最佳的合成条件,Pt/SDB催化剂主要用于低温交换反应。Pt/PTFE催化剂选用聚四氟乙烯悬浮树脂加致孔剂预成型后再烧结得到的聚四氟乙烯作为载体,探索了致孔剂的比例、预成型的压力、时间、烧结的温度,得出了制备PTFE载体的最佳工艺,Pt/PTFE催化剂主要用于高温交换反应。2.为测试催化剂催化活性,采用气相色谱仪建立了氢气中微量氘的在线分析方法,选择最合适的分离柱并确定最佳的气相色谱工作参数。采用固定滴流反应床研究了各工艺参数对转化率的影响。结果表明,温度、氢气流量、水流量、催化床填装高度、催化剂与填料的填装比例、交换方式均会对转化率造成影响。本论文中制备的催化剂经实验得到其活性排序为：Pt/SDB-1>Pt/SDB-2>Pt/PTFE。经寿命实验测试,Pt/SDB催化剂和Pt/PTFE催化剂均具有良好的化学稳定性。3.利用H2-H2O液相双温催化交换法制备超轻水。根据H2-H2O液相双温催化交换的反应原理设计了一套生产超轻水的装置,并选用了自制的Pt/SDB和Pt/PTFE催化剂。根据工艺流程进行理论计算和实验,将理论结果与实验结果进行比较,结果表明,相同条件下,实验结果与理论计算结果基本一致,经一次双温交换制得的超轻水含氘量为126ppm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 氢同位素分离研究进展
• 1.1 氢同位素分离
• 1.1.1 氢同位素
• 1.1.2 氢同位素分离意义
• 1.1.3 氢同位素分离方法
• 1.1.4 氢同位素分离方法应用概况
• 2O交换工艺及发展'>1.2 H-2-H₂O交换工艺及发展
• 1.2.1 VPCE工艺
• 1.2.2 LPCE工艺
• 1.2.3 CECE工艺
• 2-H₂O交换法脱氚'>1.2.4 H₂-H₂O交换法脱氚
• 1.3 疏水催化剂的应用及制备
• 1.3.1 疏水催化剂的应用
• 1.3.2 疏水催化剂的设计要素
• 1.3.3 疏水催化剂的制备
• 1.3.4 疏水催化剂的国内外研究
• 1.3.5 催化剂制备的研究前景
• 1.4 超轻水
• 1.4.1 超轻水定义
• 1.4.2 重水的危害
• 1.4.3 超轻水应用
• 1.4.4 超轻水制备
• 1.5 选题意义及研究内容
• 2-H₂O交换反应催化剂的制备'>2 H₂-H₂O交换反应催化剂的制备
• 2.1 引言
• 2.2 催化剂设计
• 2.2.1 活性组分的选择
• 2.2.2 疏水环境的建立
• 2.2.3 载体的要求和选择
• 2.2.4 催化剂尺寸的影响及选择
• 2.2.5 催化剂制备方法的选择
• 2.2.6 催化床的设计
• 2.3 实验试剂及设备仪器
• 2.3.1 实验试剂
• 2.3.2 实验设备仪器
• 2.4 催化剂制备
• 2.4.1 Pt/SDB催化剂制备
• 2.4.2 Pt/PTFE催化剂制备
• 2.5 本章小结
• 2-H₂O交换反应及催化活性'>3 H₂-H₂O交换反应及催化活性
• 2-H₂O交换反应'>3.1 H₂-H₂O交换反应
• 2-H₂O液相交换反应动力学'>3.1.1 H₂-H₂O液相交换反应动力学
• 2-H₂O液相交换反应的平衡常数和分离系数'>3.1.2 H₂-H₂O液相交换反应的平衡常数和分离系数
• 2-H₂O液相交换反应过程'>3.1.3 H₂-H₂O液相交换反应过程
• 2-H₂O交换反应机理'>3.1.4 金属Pt催化的H₂-H₂O交换反应机理
• 2-H₂O交换反应实验装置'>3.2 H₂-H₂O交换反应实验装置
• 2-H₂O并流交换实验装置'>3.2.1 H₂-H₂O并流交换实验装置
• 2-H₂O逆流交换实验装置'>3.2.2 H₂-H₂O逆流交换实验装置
• 3.3 氘含量的分析方法
• 3.3.1 气相色谱法分析氘含量
• 3.3.2 气体中氘含量的分析
• 3.3.3 液体中氘含量的分析
• 3.3.4 标准曲线
• 3.4 催化剂活性表示
• 3.4.1 气液并流交换过程催化剂活性的表示
• 3.4.2 气液逆流交换过程催化剂活性的表示
• 3.5 本章小结
• 2-H₂O液相催化交换工艺'>4 H₂-H₂O液相催化交换工艺
• 4.1 引言
• 2-H₂O逆流交换'>4.2 H₂-H₂O逆流交换
• 4.2.1 填料与催化剂体积比的影响
• 4.2.2 催化床高度的影响
• 4.2.3 流量的影响
• 4.2.4 温度的影响
• 2-H₂O并流交换'>4.3 H₂-H₂O并流交换
• 4.3.1 填料与催化剂体积比的影响
• 4.3.2 催化床高度的影响
• 4.3.3 流量的影响
• 4.3.4 温度的影响
• 4.4 交换方式的影响
• 4.5 催化剂的稳定性
• 4.6 本章小结
• 5 超轻水的制备
• 5.1 引言
• 2-H₂O双温液相催化交换法制备超轻水'>5.2 H₂-H₂O双温液相催化交换法制备超轻水
• 2-H₂O双温交换法制备超轻水的原理'>5.2.1 H₂-H₂O双温交换法制备超轻水的原理
• 2-H₂O双温交换法制备超轻水的反应过程'>5.2.2 H₂-H₂O双温交换法制备超轻水的反应过程
• 2-H₂O双温交换法制备超轻水的工艺流程'>5.2.3 H₂-H₂O双温交换法制备超轻水的工艺流程
• 2-H₂O双温交换法制备超轻水的实验装置'>5.2.4 H₂-H₂O双温交换法制备超轻水的实验装置
• 5.2.5 实验结果
• 5.2.6 理论计算
• 5.2.7 实验结果与理论结果比较
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 致谢
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况