ESR法研究Pt催化N2H4分解机制

采用电子自旋共振谱（ESR）法,研究了酸性条件下•NH₂的转化,HClO₄体系下反应时间对溶液中自由基产生的影响、pH值对N₂H₄断键的影响以及HNO₃中N是否对溶液中的•NH₂有贡献,确定了Pt催化N₂H₄分解的反应机理。结果表明：在酸性条件下•NH₂被DMPO捕捉时反应式为•NH⁺₃+HO-H+DMPO=NH⁺₄+DMPO(•OH),硝酸在Pt催化N₂H₄体系中不会发生断键产生•NH₂,所产生的•NH₂是由N₂H₄断键形成的;在HClO₄体系中,随着Pt催化N₂H₄反应时间的延长,N₂H₄中N-N断键的趋势逐渐减小,N-H断键的趋势逐渐增大;随pH值的增大,N₂H₄中N-N断键的速率先快速减小,pH>3后缓慢增大;Pt催化N₂H₄分解反应中N-N断键和N-H断键两种方式共存,但N-N断键占优;反应体系中N₂H₄与H^＋浓度之比决定了N-N断键生成•NH₂的速率,而•NH₂与H^＋的浓度又决定了•NH₂转化成产物的速率,这两方面共同决定了N₂H₄分解的速率。     

Pt催化N2H4还原U(Ⅵ)制备U(Ⅳ)过程中N2H4断键机制研究

为优化硝酸介质下Pt催化N₂H₄还原U(Ⅵ)制备U(Ⅳ)的工艺条件,确定此反应过程的控制步骤,有针对性地提高控制步骤的反应速率,以确定N₂H₄还原U(Ⅵ)制备U(Ⅳ)过程中的反应历程以及反应机理,通过实验研究确定了N₂H₄在Pt催化剂上的断键方式和分解机理。采用气相色谱法、分光光度法、滴定法及排水法对硝酸介质下Pt催化N₂H₄还原U(Ⅵ)制备U(Ⅳ)过程中的产物进行分析,确定反应过程中N₂H₄的断键机制。结果表明,硝酸介质下Pt催化N₂H₄还原U(Ⅵ)制备U(Ⅳ)反应过程中没有叠氮酸、氮氧化物及氢气生成,产物主要是N₂,生成的N₂的量与消耗的N₂H₄的量接近1∶1;当存在U(Ⅵ)时,生成的NH⁺₄产量较低,当U(Ⅵ)反应完全后,NH⁺₄的产生速率急剧增大;N₂H₄以N-N断键和N-H断键两种方式共存;反应温度升高有利于加快由U(Ⅵ)制备U(Ⅳ)还原反应的进行。     

ESR法研究pH值对Pt催化N_2H_4断键的影响机制

为明确酸性条件下Pt催化N_2H_4还原U(Ⅵ)制备U(Ⅳ)的反应历程和反应机理,有针对性地提高其反应速率、优化工艺流程,本文采用电子自旋共振(ESR)法实验研究·NH_2转化为·OH的机理及0.25 mol/L和0.5 mol/L N_2H_4浓度条件下不同酸度的高氯酸体系中Pt催化N_2H_4分解过程中产生的自由基,确定反应过程中pH值对N_2H_4断键的影响机制。结果表明,在高氯酸介质中,Pt催化N_2H_4分解反应体系中检测到的·OH是由N_2H_4分解产生的·NH_2转化而来;该反应体系中酸度会对N_2H_4分解产生影响,在酸度逐渐降低的过程中Pt催化N_2H_4分解的反应速率表现为先增大后减小的趋势,其中在pH=1～2之间时Pt催化N_2H_4分解反应最为迅速。     

硝酸体系中铂催化肼还原U(Ⅵ)的反应动力学

开展了硝酸体系中以肼为还原剂、铂黑为催化剂催化还原U(Ⅵ)的动力学研究。通过考察U(Ⅵ)浓度、肼浓度、酸度以及催化剂用量等条件对反应过程的影响,确定了反应的初始动力学速率方程为-dc(UO²⁺₂)dt=kc^0.44(UO²⁺₂)c^0.19(N₂H⁺₅)c^-0.23(H⁺),在60 ℃、固液比r_S/L=2.0 g/L时,速率常数k=2.6×10^-3 (mol/L)^0.6/min。研究了温度对反应速率的影响,结果表明,在20~75 ℃范围内,随着温度升高,反应速率加快,反应过程由动力学控制转变为扩散控制过程。对比了硝酸体系与高氯酸体系的反应动力学实验数据,发现相同条件下硝酸体系的反应速率明显低于高氯酸体系,并分析了其中的原因。     

硝酸体系中铂催化肼还原U(Ⅵ)的反应动力学

开展了硝酸体系中以肼为还原剂、铂黑为催化剂催化还原U(Ⅵ)的动力学研究。通过考察U(Ⅵ)浓度、肼浓度、酸度以及催化剂用量等条件对反应过程的影响，确定了反应的初始动力学速率方程为-dc(UO²⁺₂)dt=kc^0.44(UO²⁺₂)c^0.19(N₂H⁺₅)c^-0.23(H⁺)，在60 ℃、固液比r_S/L=2.0 g/L时，速率常数k=2.6×10^-3 (mol/L)^0.6/min。研究了温度对反应速率的影响，结果表明，在20~75 ℃范围内，随着温度升高，反应速率加快，反应过程由动力学控制转变为扩散控制过程。对比了硝酸体系与高氯酸体系的反应动力学实验数据，发现相同条件下硝酸体系的反应速率明显低于高氯酸体系，并分析了其中的原因。     

HNO3介质中U(Ⅳ)还原Np(Ⅴ)的动力学

采用分光光度法研究了HNO₃溶液中U(Ⅳ)还原Np(Ⅴ)的反应,获得了动力学方程-dc (Np(Ⅴ))/dt=kc(Np(Ⅴ))c^0.7 (U(Ⅳ))c^1.9 (H⁺)c (NO^-₃),25℃时反应速率常数k=(6.37±0.49)×10^-3 L^3.6/(mol 3.6•min),反应活化能E_a=60.13 kJ/mol。结果表明,浓度为0~4.2×10^-2mol/L的U(Ⅵ) 对U(Ⅳ)还原Np(Ⅴ)的反应几乎没有影响,并探讨了可能的反应机理。     

Me-TODGA与TODGA萃取锶性能对比

以N,N,N′,N′-四辛基-2-甲基-3-氧戊二酰胺(Me-TODGA)或N,N,N′,N′-四辛基-3-氧戊二酰胺(TODGA)为萃取剂、磷酸三丁酯(TBP)为相改良剂、煤油为稀释剂,对比研究了水相酸度、萃取剂浓度、锶浓度、温度对Me-TODGA-TBP体系和TODGA-TBP体系萃取Sr²⁺的影响,并采用斜率法确定了萃合物的组成。结果表明,2种酰胺荚醚萃取Sr²⁺的分配比(D_Sr)随HNO₃浓度(c(HNO₃)=0.1～2.7 mol/L)、萃取剂浓度(c(萃取剂)=0.05～0.3 mol/L)的增加而增大,随Sr²⁺浓度的升高略有下降,随温度的升高而下降。2种萃取剂的萃合物组成分别为Sr(NO₃)2•3Me-TODGA和Sr(NO₃)2•2TODGA。萃取反应的ΔH分别为-69.46 kJ/mol和-51.39 kJ/mol,ΔS分别为-190.5 J/(mol•K)和-128.4 J/(mol•K),ΔG分别为-12.68 kJ/mol和-13.12 kJ/mol。相比之下,Me-TODGA萃取Sr²⁺的分配比不到TODGA的1/5。     

磷酸三丁酯与NO2反应研究

通过气相色谱仪和气相色谱-质谱联用仪对磷酸三丁酯（TBP）与NO₂反应的气相产物和液相产物进行表征,气相产物主要是1-丁烯、CO、N₂等,液相产物表征出的组分有硝酸丁酯和未反应的磷酸三丁酯。使用绝热加速量热仪（ARC）对不同摩尔比例反应体系的具体参数进行测量,通过Arrhenius方程对参数拟合得到反应的动力学参数,分别通过基于第一性原理的分子动力学模拟对反应过程与产物进行进一步分析。结果表明：纯TBP的起始放热温度为285.6 ℃,加入不同比例NO₂后样品起始放热温度降低到80~90 ℃,随着NO₂比例的增加,样品的最大温升速率和压升速率有较大提升,整个体系的热危险性急剧增加。除去个别由于冷凝回流导致活化能未被准确测量的样品,其余样品活化能约为10~12 kJ/mol。TBP在NO₂存在时C-O键会快速断裂。结合体系中有NO和OH片段生成的现象,猜测反应路径可能是NO₂夺取TBP上H原子生成HONO,这一过程导致TBP分子快速分解,生成1-丁烯和反式2-丁烯。     

Mn2+催化亚硝酸氧化破坏H2C2O4机理研究

为明确硝酸溶液中以Mn²⁺作催化剂时，亚硝酸氧化破坏H₂C₂O₄的具体化学行为和反应机理，本文考察了在硝酸和硫酸体系中以Mn²⁺作催化剂时亚硝酸氧化H₂C₂O₄的差异、Mn²⁺与草酸络合对亚硝酸氧化Mn(Ⅱ)到Mn(Ⅲ)的作用以及Mn(Ⅲ)破坏H₂C₂O₄过程中产生的自由基，获得了具体的催化反应历程，推测了反应机理。结果表明，亚硝酸在催化反应过程中起主导作用，加入亚硝酸可有效消除反应初期存在的诱导期；反应过程中，溶液中游离的Mn²⁺与H₂C₂O₄络合生成了MnC₂O₄,而作为配体的草酸降低了Mn(Ⅱ)被氧化到Mn(Ⅲ)的反应活化能，使得亚硝酸能氧化MnC₂O₄     

钯催化H2O2分解的机制探讨

高放废物（HLW）处置库近场地下水的辐解能够产生H₂O₂,其被裂变产物合金颗粒（ε-颗粒）的催化分解属于多相表界面反应。本工作选用钯粉模拟ε-颗粒,采用高压反应釜研究体系总压和H₂分压对反应的影响,并按一级动力学模型拟合实验数据。添加HO·的捕获剂和淬灭剂的实验证明无H₂反应过程中存在HO·的生成步骤。钯的催化活性及形态变化与反应时间的关系表明,产物氧吸附在钯的表面对反应具有毒化作用。通过持续监测滤液中H₂O₂浓度的变化,发现溶液中存在类似于Haber-Weiss的反应持续消耗H₂O₂。推导出钯对H₂O₂分解的机制过程和影响因素,为处置库的安全评估提供基础数据。     

高氯酸体系中肼为还原剂催化还原U(Ⅵ)的反应动力学

开展了高氯酸体系中以肼为还原剂,铂黑为催化剂催化还原U(Ⅵ)的动力学研究。通过考察U(Ⅵ)浓度、肼浓度、酸度以及催化剂用量等条件对反应过程的影响,确定了该反应的初始动力学速率方程为-dc(UO22+)/dt=kc0.39(UO22+)c0.36(N2H5+)c-0.51(H+),在60℃、固液比0.002kg/L时,速率常数k=3.2×10-3(mol/L)0.76/min。研究了温度对反应速率的影响,结果表明,在20～75℃范围内,随着温度升高,反应速率加快,反应过程由化学反应控制转变为扩散控制过程。并在此基础上推测了可能的反应机理,认为肼在催化剂表面的吸附分解是整个反应的控制步骤。     

硝酸体系中Pt催化肼的分解

研究了肼的初始浓度、硝酸浓度、催化剂的量(S/V)、温度、β放射性对Pt催化肼分解反应速率的影响,获得了其动力学方程。结果表明:增大肼的初始浓度、温度、催化剂的量和降低硝酸浓度,肼的分解速率加快;β放射性对Pt催化体系中肼的分解速率有显著的提高作用,其分解表观速率常数比单独Pt催化提高了19.3倍,比单独β辐解提高了1.35倍,β放射性辐照位置不同肼的分解速率也不同。Pt催化硝酸体系中肼分解的动力学速率方程为:-d c(N 2H+5)/d t=kc(N 2H^+5)c^-0.39(HNO 3),296 K时,速率常数k=(5.90±0.35)×10^-3mol/(L·min),活化能E a=(333.3±2.9)J/mol。     

肼为还原剂催化还原U(Ⅵ)制备U(Ⅳ)的工艺条件

研究了硝酸体系中以铂黑为催化剂、肼为还原剂还原制备U(Ⅳ)的工艺条件,考察了硝酸浓度、肼浓度、反应温度、催化剂用量等对U(Ⅵ)转化率及副反应的影响。当铀浓度为0.90mol/L时,优化的工艺条件为：初始硝酸浓度0.80mol/L,初始肼浓度1.0mol/L左右,反应温度60℃,反应液25mL时催化剂铂黑用量为0.2g,反应3h后U(Ⅵ)的转化率大于99%。     

亚硝酸与肼或羟胺的反应热测量及工艺验证

采用C80微量热仪分别测定了亚硝酸与肼或羟胺的反应热，得到了亚硝酸与肼以不同摩尔比反应时的摩尔反应热：亚硝酸与肼的摩尔比大于2时，消耗单位摩尔肼的反应放热量ΔE₁=284.4 kJ/mol；亚硝酸与肼的摩尔比小于1时，消耗单位摩尔亚硝酸时的反应放热量ΔE₂=166.7 kJ/mol；亚硝酸与肼的摩尔比介于1和2之间时，消耗单位摩尔肼的反应放热量介于ΔE₁和ΔE₂之间。得到了亚硝酸与羟胺以不同浓度比进行反应时的反应热：亚硝酸过量时，消耗单位羟胺的反应放热量为ΔE₄=200.0 kJ/mol；羟胺过量时，消耗单位亚硝酸时的反应放热量为ΔE₅=194.9 kJ/mol。基于获得的亚硝酸与肼或羟胺的反应热数据，对核燃料后处理工艺流程中1BP调料过程中的温度升高情况进行了计算分析，并通过工艺实验进行了验证。     

亚硝酸与肼或羟胺的反应热测量及工艺验证

采用C80微量热仪分别测定了亚硝酸与肼或羟胺的反应热，得到了亚硝酸与肼以不同摩尔比反应时的摩尔反应热：亚硝酸与肼的摩尔比大于2时，消耗单位摩尔肼的反应放热量ΔE₁=284.4 kJ/mol；亚硝酸与肼的摩尔比小于1时，消耗单位摩尔亚硝酸时的反应放热量ΔE₂=166.7 kJ/mol；亚硝酸与肼的摩尔比介于1和2之间时，消耗单位摩尔肼的反应放热量介于ΔE₁和ΔE₂之间。得到了亚硝酸与羟胺以不同浓度比进行反应时的反应热：亚硝酸过量时，消耗单位羟胺的反应放热量为ΔE₄=200.0 kJ/mol；羟胺过量时，消耗单位亚硝酸时的反应放热量为ΔE₅=194.9 kJ/mol。基于获得的亚硝酸与肼或羟胺的反应热数据，对核燃料后处理工艺流程中1BP调料过程中的温度升高情况进行了计算分析，并通过工艺实验进行了验证。     

PUREX流程中锝对U(Ⅳ)-肼的稳定性影响

通过分光光度法研究了硝酸体系中锝催化硝酸氧化U(Ⅳ)-肼的反应,结果表明:温度和锝浓度是影响锝催化硝酸氧化U(Ⅳ)速率的主要因素,Tc催化硝酸氧化U(Ⅳ)反应对Tc的级数为1.23,反应活化能Ea=79.2kJ/mol,Tc催化硝酸氧化U(Ⅳ)反应对U(Ⅳ)的级数为0,平均速率常数为1.60×10-4 min-1。肼浓度对锝催化氧化U(Ⅳ)的速率影响较小,Tc-U(Ⅳ)-肼体系中肼的氧化和U(Ⅳ)的氧化同时进行,但U(Ⅳ)早于肼氧化完,随后肼快速氧化完全,与Tc-肼体系相比,肼的氧化速率略有降低,U(Ⅳ)对肼的氧化既有促进作用,又有抑制作用。Tc-U(Ⅳ)-Pu(Ⅲ)-肼体系中,当锝浓度为0.005 mol/L,Pu(Ⅲ)稳定存在的时间小于45min。