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《中国原子能科学研究院》 2001年
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憎水催化剂的研制及氢—水液相催化交换工艺研究

李俊华  
【摘要】: 氢-水交换法是有效的氢同位素分离方法之一,可用于生产和提浓重水、轻水或重水脱氚、以及热核聚变堆净化回收氚,应用前景宽广。实现在25-80℃下氢-水液相氢同位素交换反应,关键是憎水催化剂。 催化剂制备技术直接影响催化剂的活性和稳定性。该项技术与商业利益密切相关,各国催化剂的具体制备工艺都是保密的,因此,必须自力更生,制备出适合工程上使用的高效、稳定的憎水催化剂。 本论文的主要研究内容分为四部分:憎水催化剂的设计和制备,憎水催化剂的性能评价,氢-水液相催化交换工艺研究以及电解结合催化交换(CECE)工艺流程的理论计算。 本研究制备了Pt-SDB和Pt-C-PTFE两类憎水催化剂,催化剂的活性组分均采用铂。Pt-SDB催化剂以憎水的聚乙烯-二乙烯基苯(SDB)为载体;Pt-C-PTFE催化剂以活性炭作载体,以聚四氟乙烯(PTFE)作憎水材料。Pt-SDB憎水催化剂的活性明显高于Pt-C-PTFE憎水催化剂的活性,同一实验条件下,总体积传质系数差别近一倍。 为了提高催化剂的活性,应使活性组分铂尽量均匀地分布在载体表面上,即提高催化剂中铂的分散度,载体和制备工艺均对此有重要影响。载体性能对Pt-SDB憎水催化剂活性影响很大,结果表明,WSDB3和NSDB两种载体比较好。Pt-SDB憎水催化剂的还原温度,国外文献报道均在250℃以上。本论文中经过大量研究表明,还原温度控制在200℃左右,还原程度更高,活性组分铂的分散度大,催化剂活性好。其中Pt-NSDB和Pt-WSDB3两种催化剂的活性已达到国际同类水平,物理性能测试表明,铂的平均粒径均小于10nm,且分布比较均匀。 Pt-C-PTFE类憎水催化剂按制备方法可分两种,一种是PTFE粉与Pt-C粉由机械混合法制得Pt-C-PTFE憎水催化剂,另一种是Al_2O_3-Pt-C-PTFE憎水催化剂,PTFE既是憎水剂又是粘接剂,将Pt-C-PTFE乳浊液涂覆到Al_2O_3上制得。Al_2O_3-Pt-C-PTFE憎水催化剂具有高强度、粒径大、铂的利用率高等优点,但Pt-C 中国厦于龙科学研史陕俗士论文 很难涂覆到载体川。Os上,而且Pt-C-PTFE乳浊液中的Pt-C粉和PThE应保持高 度分散均匀。通过在P卜OP hhE乳浊液中加入一定量的稳定分散剂,活性组分铂 可以很好地分散附载到载体上,而且PtC-PThE与AJZO3陶瓷牢固结合在一起, 提高活性组分铂与载体的作用力,减少了活性组分铂的流失。Pt-C干 FE憎水催 化剂,PTFE超细粉与Pt-C粉的重量比控制在1刀-2.0之间,还原温度为350℃左 右,还原时间大于吕小时,结果表明,活性组分铂基本上为零价态,催化剂具有 较高的催化活性。 采用滴流反应床,研究了工艺参数对总体积传质系数的影响。结果表明,温 度、氢气流量、水流量、催化交换塔填装高度均对总体积传质系数有影响。对亲 水填料的处理,可大大提高相间质量转移效率,填装方式及填料的体积填装比例 对总体积传质系数影响明显。总体积传质系数与温度的关系符合Arh目时S公式, Pt-NSDB、PtWSDB3、Pt.C-PTFE三种催化剂的表观活化能分别为 15.38kJ/In。l、 16二7kJ/In。l和 28.glkJ/Inl。 在 Pt.WSDB3催化剂 100天的间歇式稳定性实验中,催化剂活性没有明显下 降。中子活化分析法测试了交换反应后水中铂元素的含量,铂流失很小,表明催 化剂具有良好的稳定性。 国内首次开展气液逆流催化交换的含氖重水的脱氖实验。采用Pt-WSDB3憎 水催化剂,与填料1:2混合填装,催化床填装高度为卯0,进行了含氖重水的 脱氖实验,脱氖率为76%。 针对 CECE艺流程,提出了年处理吕吨含氖重水的物料衡算,含氖重水的 流量为 50mol/h,DTO的摩尔分数为 2.38 X 10个脱氖率为 90%,取料中 DT的摩 尔分数为 1刀 XIO\流量 P为 1刀smoMi。要求电解槽提供 168 moTh的 D。气体。 催化交换塔的直径为 0.105米。总理论塔板数 N。为 26,催化交换塔的总高为 7.8” 米。
【学位授予单位】:中国原子能科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TQ426

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【引证文献】
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