氢同位素分离用载钯硅藻土材料的研究

IMR OpenIR

	氢同位素分离用载钯硅藻土材料的研究
	陈伟
学位类型	博士
导师	杨柯 ; 陈德敏
	2011
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料加工工程
关键词	钯硅藻土储氢性能氢同位素分离 Tcap Palladium Kieselguhr Hydrogen Storage Properties Hydrogen Isotope Separation Tcap
摘要	"氢及其同位素在科研、工业、医学和国防等领域具有广泛的用途，同时还是核聚变反应的基本燃料，有望解决人类面对的能源危机。由于氢同位素的生产和应用的各个环节都涉及纯化和分离工艺，因此氢同位素分离技术的发展具有重要意义。热致循环法（Thermal Cycling Absorption Process，简称TCAP）分离氢同位素是20世纪80年代发展起来的氢同位素分离方法，是一种半连续的色谱分离方法，具有体积小、安全、效率高等优点。本论文以TCAP同位素分离用载钯硅藻土（Pd/K）材料为研究对象，采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、热致吸放氢循环设备等测试手段，系统研究了Pd/K材料的制备方法、储氢性能，并对其进行了热处理改性研究。本论文分别采用氯化钯逐次浸渍还原法、氯化钯浸渍焙烧法和硝酸钯铵热分解法制备出Pd/K-1、Pd/K-2 和Pd/K-3三组样品。XRD分析表明，样品都是由纯钯和SiO2两相组成；SEM分析表明，三组样品中的钯分布状态分别为颗粒状、颗粒状+网状、致密网状，形貌差异主要来源于制备过程中的还原气氛和焙烧温度的不同。储氢性能测试表明：与纯钯相比，Pd/K-1样品的吸氢量降低了20%左右，平台压力略有升高，平台斜率增加，动力学性能提高一倍；Pd/K-2及Pd/K-3样品的PCT曲线与纯钯基本一致，饱和吸氢量仅有少量降低，吸氢动力学也优于纯钯。对Pd/K-1样品分别进行了2000次恒温和热致吸放氢循环，循环后样品的吸氢量基本不变，PCT曲线滞后变小；热致循环后样品动力学有所提高，恒温循环后样品动力学减慢；热致循环和恒温循环后样品的粉化率（<80目）分别为3.6%和5.4%，热致循环过程引入的热应力导致了比恒温循环更高的粉化率。对Pd/K-2样品进行了500-4000次热致循环，结果表明：循环后样品的PCT吸氢平台长度变化不大；在2000次循环内，随循环次数增加，动力学加快；而4000次循环后样品的动力学出现了衰退，但仍比新样品要快。对循环后样品粉化率的统计表明，在1000次循环内粉化较少，<100目颗粒质量仅占0.2%；随循环次数继续增加，粉化加剧，4000次后，<100目颗粒质量比例达到4.9%。对Pd/K-3样品进行900℃/1h、1000℃/1h和1100℃/1h的真空热处理，SEM观察发现，热处理后样品中钯由网状转变为细小颗粒状，随热处理温度升高，钯颗粒逐步经历形核和长大过程。储氢性能测试表明，热处理样品的吸放氢平台压升高，平台斜率增大，吸氢量减少，其中900℃和1000℃热处理样品的βmin（对应于PCT曲线中α相完全消失时的吸氢量）减少了10%以上，而1100℃热处理样品βmin降低了20%。动力学测试表明，热处理影响了钯表面活性，从而降低了其低温吸氢动力学，但在高温下吸氢动力学基本恢复。将热处理前后的Pd/K-3样品进行2000次热致吸放氢循环测试，Pd/K-3新样品及经历900-1100℃热处理样品在循环前后的吸放氢PCT性能及吸氢动力学性能基本相同。对热致循环后样品进行粉化分析表明，经900℃/1h热处理样品的粉化率仅为3.66%，而未热处理样品的粉化率为6.16%，因此热处理可明显改善Pd/K-3样品的抗粉化性能。SEM分析表明，样品的热处理改性主要通过控制样品中钯颗粒大小来降低其粉化率，当钯粒度低于1μm时，其粉化几率会大大降低。采用制备的Pd/K材料设计并装填了分离色谱柱，分离结果表明，对氢氘比2:8的原料气在-40~150℃温度下，经过5次全回流热致循环，可得到氘含量99.1%的产品气，表现了较好的分离效果。"
其他摘要	Hydrogen and its isotopes are widely used in scientific research, industry, medicine and national defense. They are also the basic fuel for the fusion energy which is considered as the most promising solution to energy crisis. Hydrogen isotope separation technology is of great significance because purifiction/seperation is involved in almost every step of the production and application of tritium. The thermal cycling absorption process (TCAP) is a semi-continuous chromatographic process for hydrogen isotope separation developed in the 1980s. Compared with other separation methods, TCAP is more compact, safer and more efficient. In order to develop the suitable material used in TCAP column, palladium deposited on kieselguhr (Pd/K) was chosen for study in this work. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and the thermal induced hydrogen absorption/desorption apparatus were used to systematically study the preparation method for Pd/K, hydrogen absorption/desorption behavior and heat-treatment of the prepared Pd/K.
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64331
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	陈伟. 氢同位素分离用载钯硅藻土材料的研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2011.