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?。     

Pt-SDB疏水催化剂氢-水催化交换工艺的研究

Pt-SDB疏水催化剂氢-水催化交换工艺的研究@李俊华@康艺@阮皓@窦勤成@韩延德@雷雷@胡石林     

三种疏水催化剂耐氚辐照稳定性初步研究

为考察3种疏水催化剂Pt-SDB(SDB为苯乙烯-二乙烯苯共聚物)，Pt-PTFE（PTFE为聚四氟乙烯），Pt-C-PTFE 的耐氚辐照稳定性，将其置于1.26×10¹²Bq/L的氚水中静态辐照210 d后，对其催化交换性能及催化剂中残存氚进行分析。结果表明，3种催化剂在氚的β辐照下未发生裂解，催化剂中氚的残存量随催化剂比表面积的增加而增加，基本没有发生结构上的氚取代反应；但在氚水辐照后，3种疏水催化剂的交换性能出现了不同程度的变化，按单位质量Pt粒子计算，在测试不确定度范围内Pt-PTFE和Pt-C-PTFE的转化率没有发生明显变化，Pt-SDB(1)的转化率下降了11.2％，Pt-SDB(2)的转化率下降了16.9％。     

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。     

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。     

φ6mm Pt-PTFE疏水催化剂的研制

在研制粒径为6mm的多孔PTFE疏水担体基础上，采用浸渍法研制了可在工程上应用的Pt—PTFE疏水催化剂。室温下，在并流催化床上考察了该疏水催化剂的催化活性、疏水性能和催化剂上活性粒子的稳定性。结果表明：当氚浓度为153Bq／mL，氢气线速度为5．31cm／s和15．93cm／s时，水中氚的催化转化率分别为73．7％和69．6％。在用普通水浸泡并淋洗145d后，该疏水催化剂的催化活性和活性粒子(Pt)的含量无明显变化。     

φ6mm Pt-PTFE疏水催化剂的研制

在研制粒径为6mm的多孔PTFE疏水担体基础上,采用浸渍法研制了可在工程上应用的Pt PTFE疏水催化剂。室温下,在并流催化床上考察了该疏水催化剂的催化活性、疏水性能和催化剂上活性粒子的稳定性。结果表明:当氚浓度为153Bq/mL,氢气线速度为5.31cm/s和15.93cm/s时,水中氚的催化转化率分别为73.7%和69.6%。在用普通水浸泡并淋洗145d后,该疏水催化剂的催化活性和活性粒子(Pt)的含量无明显变化。     

DVB用量对SDB结构和Pt-SDB催化性能影响研究

以苯乙烯(St)为单体,共聚单体二乙烯基苯(DVB)为交联剂,通过悬浮聚合法制备了不同交联结构的大粒径(2~5mm)多孔聚苯乙烯-二乙烯基苯(SDB)小球,并用浸渍还原法制备了Pt-SDB疏水催化剂。采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、热重(TG)、N2吸附-解吸、微机控制电子万能试验机、静态水接触角(CA)、场发射扫描电镜(FSEM)和氢-水催化交换实验等手段分析了DVB用量对SDB的分子结构、热稳定性、孔结构、抗压强度、疏水性、Pt的分散度及催化活性的影响。结果表明:随着DVB用量的增大,热稳定性、抗压强度以及疏水性明显提高,Pt的分散度显著增大,比表面积和孔容逐渐增大,平均孔径则逐渐减小。当DVB与St的摩尔比(n(DVB)∶n(St))=1∶1时,SDB疏水催化剂载体性能优异,孔结构、Pt的分散度及疏水性最佳,制得的Pt-SDB催化剂柱效率达95.6%(65℃)、96.1%(80℃)。     

氢氧复合疏水催化剂的制备

以聚苯乙烯-二乙烯基苯(SDB)为载体，用浸渍法研制出常温下在水或100％潮湿气体中都能保持良好活性的疏水性催化剂Pd-NSDB。研究了催化剂制备工艺条件对催化活性的影响。得出制备Pd—NSDB氢氧复合疏水催化剂的条件为：钯负载率为1％，还原时间为8～10h，还原温度为160～220℃。混合气体(1．72％H2，1．47％O2，平衡气Ar)的空速为60min^-1时，所制备的催化剂催化氢氧复合的氢气转化率大于99．9％。所研制的催化剂可用于复合高浓度氢气甚至纯氢的复合系统中，可以在常温下用冷却水除去反应热，使反府床的温度更易控制，提高了氢气复合反应系统的安全性。     

Pt-SDB疏水催化剂中残氚的测量

研究了Pt-SDB疏水催化剂中残氚测量方法。待测样品经5A分子筛三级干燥和真空热处理排除催化剂表面吸附氚、微波消解制样后,液闪测得残氚量为1.69×104Bq/g,测量不确定度为10%(K=2)。     

CECE水-氢交换工艺

研究了基于Pt-SDB憎水催化剂的CECE水-氢交换工艺,讨论了填料处理工艺、填料规格、反应温度、气液比、塔内径小等对CECE水-氢交换理论塔板高度的影响和反应温度、气液比对水-氢交换阻力降的影响.结果表明,填料的酸处理方式优于碱处理方式;填料规格2.5 mm×2.5 mm×0.2 mm、填料与催化剂填装比例4.5:1...     

基于Pt/C/FN疏水催化剂的常温氢氧复合反应

用高压微波加热法制备了w(Pt)=10%的Pt/C催化剂,得到Pt的粒径d=(2.1±0.7) nm,再将Pt/C催化剂与聚四氟乙烯(PTFE)一起负载于泡沫镍(FN),制备疏水催化剂Pt/C/FN.用Pt/C/FN催化常温氢氧复合反应,研究了温度和H2流速对H2转化率的影响.与商用亲水催化剂Pt/Al2O3相比,Pt/C/FN催化剂活性明显更高.潮湿及干燥条件下测试了Pt/C/FN疏水催化剂的活性,潮湿条件下其活性仅有少量下降.富氧条件下考察了CO对Pt/C/FN疏水催化剂活性的影响,CO对H2转化率的影响较小.     

水-氢交换氢同位素体系HD/H_2O、DT/D_2O和HT/H_2O分离性能模拟研究

计算模拟应用于氢同位素分离领域,能够方便、快捷地进行工艺条件分析。本工作采用数值模拟的方法对比研究了水-氢催化交换过程中HD/H_2O、DT/D2O和HT/H_2O三种氢同位素体系的分离性能。研究表明:在一定工艺条件下,三种体系均在操作温度为343K时达到最大的分离效果;随着气液比从1.0增大到3.0,最优操作温度均从343K降低到323K,但是在此过程中,HT/H_2O体系的分离效果受温度的影响较小一些;在达到最大分离效果的目标下,HT/H_2O体系需要的理论塔板数比HD/H_2O和DT/D2O体系少,同时,在优化的工艺条件下,三体系气相中氢同位素浓度在交换柱内分布曲线存在一定的差异。     

负载型Ru/γ-Al2O3催化剂上甲烷与氘化氢之间的氢氘交换性能

实验研究了以浸渍法制备的负载型Ru/γ-Al2O3催化剂体系上甲烷与氘化氢之间的氢氘交换性能,考察了各反应工艺条件包括反应温度、反应原料气流量、反应原料气中HD/CH4的比等因素对Ru/γ-Al2O3催化剂上甲烷与氘化氢之间的氢氘交换性能的影响,采用程序升温还原（H2-TPR）和X射线粉末衍射（XRD）手段对催化剂进行了检测。实验结果表明,Ru和载体γ-Al2O3发生了强相互作用;在对甲烷与氘化氢间的氢氘交换反应中,Ru/γ-Al2O3催化剂显示出较好的催化活性和稳定性。     

大粒径疏水催化剂的制备及氧化氚氢(HT)的性能研究

用两段聚合法及溶出致孔剂法分别制备了多孔大粒径苯乙烯－二乙烯基苯和聚四氟乙烯疏水担体;在此基础上,用浸渍法制备了２种大粒径铂疏水催化剂,在室温下研究了它们催化氧化ＨＴ（Ｈ２）的动力学和疏水性能。     

用于氢-水同位素交换的Pt-PTFE类憎水催化剂的研制

研制了以铂为活性成分，聚四氟乙烯（PTFE）为憎水材料，活性炭、二氧化硅等作载体的憎水催化剂。在滴流床上，进行了氢-水气液逆流氢同位素交换反应，讨论了载体、铂含量及PTEF量对催化剂活性的影响。结果表明，以活性炭为载体，聚四氟乙烯与Pt-C粉的质量比在1-2时，Pt-C-PTFE催化剂的活性高；交换反应的总体积传质系数随反应温度和氢气流量的增加而增大。     

耐温800℃陶瓷疏水催化剂的研制

用强酸对多孔疏水材料进行表面改性,获得疏水多孔陶瓷载体.采用浸渍法制备出耐温达800℃陶瓷基疏水催化剂,分别在低浓度氢-空气环境(φ(H2)=10-3)和低活度氚水环境(氚的放射性浓度1 570 kBq/L)中对其催化氧化效率和催化交换效率进行了测试,结果表明,在该疏水催化剂存在条件下,催化氧化反应的单程转化率为95％...     

浸渍溶剂对Pt/疏水陶瓷催化剂性能的影响

研究采用疏水陶瓷载体,分别使用水/乙醇(体积比2:1)溶液、乙醇及丙酮作为浸渍溶剂,采用浸渍-气相还原法制备用于氢水催化交换的铂/疏水陶瓷催化剂。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、H_2程序升温还原法(H_2-TPR)、光电子能谱(XPS)及CO脉冲吸附对催化剂进行综合表征,采用气液并流方式测试催化剂催化活性,研究浸渍溶剂的选择对催化剂性能的影响。水/乙醇溶剂表面张力最高,浸润疏水载体能力小于乙醇及丙酮,使得氯铂酸在载体表面分布均匀度低,造成催化剂铂粒子分散度低,高价铂还原困难,催化活性远低于使用丙酮及乙醇作为溶剂制得的催化剂。丙酮的挥发速率最快,可减少氯铂酸在载体表面团聚,制得催化剂铂粒子分散度最高,高价铂更易被还原,催化活性优于使用乙醇作为溶剂制得的催化剂。     

立方烧绿石Gd_2Zr_2O_7的高温高压合成

为探索高温高压固相反应法合成Gd2Zr2O7烧绿石的可能性,以Gd2O3和ZrO2的混合粉体为原料,在5.2GPa压力、1473～1873K温度范围内进行了实验研究。通过XRD对合成样品进行了结构表征,结果证实,在5.2GPa和1873K条件下,保温保压30min,成功地合成出单一物相的、具有立方烧绿石结构的Gd2Zr2O7化合物。这种新的合成方法对于开展武器级多余钚和含钚高放废物固化具有重要的科学价值和实际意义。     

Room-Temperature Reactor Packed with Hydrophobic Catalysts for the Oxidation of Hydrogen Isotopes Released in a Nuclear Facility

A room-temperature reactor packed with hydrophobic catalysts for the oxidation of hydrogen isotopes released in a nuclear facility will contribute to nuclear safety. The inorganic-based hydrophobic Pt catalyst named H1P has been developed especially for efficient oxidation over a wide concentration range of hydrogen isotopes at room temperature, even in the presence of saturated water vapor. The overall reaction rate constant for hydrogen oxidation with the H1P catalyst in a flow-through system using a tritium tracer was determined as a function of space velocity, hydrogen concentration in carriers, temperature of the catalyst, and water vapor concentration in carriers. The overall reaction rate constant for the H1P catalyst in the range near room temperature was considerably larger than that for the traditionally applied Pt/Al₂O₃ catalyst. Moreover, the decrease in reaction rate for H1P in the presence of saturated water vapor was slight compared with the reaction rate in the absence of water vapor due to the excellent hydrophobic performance of H1P. Oxidation reaction on the catalyst surface is the rate-controlling step in the range near room temperature and the rate-controlling step is shifted to diffusion in a catalyst substratum above 313K due to its fine porosity. The overall reaction rate constant in the range near room temperature was dependent on the space velocity and hydrogen concentration in carriers. The overall reaction rate constants in the range of 1;000=T greater than 3.2 correlated to k _overall[s^?1] = 5.59 × 10⁷ × SV[h^?1] × exp (?67.7 [kJ/mol]/R_gT), where the space velocity range was from 600 to 7,200 h^?1.