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《天津大学》 2007年
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氢同位素吸附研究

褚效中  
【摘要】: 氢同位素在化工、能源、材料、医疗、检测等领域中已得到广泛应用。然而在氢的天然同位素中,重氢含量只有0.015%,如何提取氢气中的氘气至关重要。 氘是热核反应的主要原料之一,在以氘氚做燃料的聚变反应堆中,参加反应的氘氚还不到10%,从聚变堆的自持、经济和环境安全考虑,等离子室排出的氘氚需要回收分离并重新进入循环系统。传统的氢同位素分离方法如低温精馏、化学交换、热扩散等具有能耗高以及附属处理设备多的缺点。因此,氢同位素分离受到广泛关注,而且如何寻找一种低成本分离方法对氘氚的工业应用非常关键。通常利用不同组份吸附差异进行分离的成本是较低的,而且吸附法具有方法简便、可靠性高、操作灵活等优点。此外,吸附剂可反复使用,可避免其它分离方法因产生大量氚放射性废物而导致环境污染问题。然而由于氕、氘与氚的性质极其相近,且具有相同的形状和尺寸,在常规吸附剂上平衡吸附量差异也较小,所以如何强化氢同位素之间的平衡吸附差异或动力学吸附差异是吸附分离研究的核心。为此,本课题设计了以低温吸附法来系统研究氢同位素气体在不同吸附剂上的吸附行为,主要内容包括: (1)运用常规气相色谱建立相应的氢同位素气体快速检测方法,为吸附床层内穿透曲线的监测做好准备。 (2)测量氢同位素气体在不同分子筛吸附剂上的平衡吸附量与动态吸附速率,并建立相应动力学吸附模型来计算吸附速率常数k。结果表明:氢同位素气体在分子筛孔径约为0.7 nm时吸附容量最大,但是最大动力学吸附差异的吸附剂孔径却在0.5 nm,而且最大平衡吸附量差异出现在介孔吸附剂上。 (3)设计氢同位素气体单塔吸附分离的实验装置。测定了不同吸附剂在不同压力、气体流量与吸附床长度条件下的穿透曲线并计算了分离因子,讨论了相同实验条件下氢氘混和气在不同吸附剂上的分离效率以及孔径与比表面积对吸附分离效率的影响。 (4)为更好解释和预测氢同位素气体在单塔吸附床层内的动力学吸附过程,构建了一个氢同位素在吸附床层内的动态吸附数学模型,该模型可较好地模拟氢同位素气体在分子筛VP800-5与Y上的吸附行为,并可对不同吸附行为进行预测。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O615

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