[发明专利]一种用于氢-水同位素交换的疏水催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于催化剂交换技术领域，具体为一种用于氢-水同位素交换的疏水催化剂的制备方法。

背景技术

在裂变堆、聚变堆、乏燃料后处理厂和各类氚处理系统的运行中，不可避免地会产生不同浓度的含氚废水，而氧化态氚（包括HTO，DTO与T₂O）的放射性毒性比元素气体氚（包括HT，DT与T₂）强10000倍。从安全和环境考虑，水中的氚浓度必须限制在<1Ci/L水平。以CANDU堆（即坎杜反应堆）为例，其用重水做慢化剂，每年运行产氚率1.4~2kCi/MWe，其平衡氚浓度C_∞的值决定于堆芯区的中子通量和D₂O的装载量。重水减速剂C_∞可取65 Ci/kg D₂O，重水冷却剂C_∞可取2.5 Ci/kg D₂O，平均起来CANDU堆重水氚浓度DTO/D₂O≈3×10^-5，稳态平衡氚浓度可达到85Ci/kg D₂O。

目前，实现重水提氚、氚提纯和重水生产等的主要方法是通过氢同位素的催化交换，而按其相转移方式的不同，可采用蒸汽相催化交换技术（VPCE）、液相催化交换技术（LPCE）、组合电解催化交换技术（CECE）等。其中，液相催化交换由于具有低能耗、高分离因子等特点，已成为国内外催化交换应用领域的首选。

疏水催化剂则是实现液相催化交换（LPCE）的关键，其工作原理是利用疏水催化剂自身的疏水性，避免在低温下，液态水覆盖活性金属，以免造成氢气(在液态水中氢气的溶解度低且扩散速率慢)、汽态水等气相反应物无法到达催化剂活性位点，使催化剂“中毒”。

Pt基催化剂在氢-水同位素液相交换领域的应用早在20世纪50年代就已开始研究。但在实际应用过程中，催化剂的活性金属粒子在水溶液中会发生“中毒”，从而失去催化活性，制约了对其进一步的应用。直到1972年，加拿大Chalk River实验室的Stevens等研究人员采用Pt/γ-Al₂O₃催化剂上覆盖一层硅树脂膜，由于树脂膜具有疏水性，因而即使在液态水存在的条件下，覆盖有硅树脂膜的Pt/γ-Al₂O₃催化剂仍然具有较好的活性。虽然采用这种方法制备的铂催化剂在使用寿命和稳定性方面，还不是很理想，但这是首次提出疏水的概念，具有非常重要的意义。随着技术的发展和深入，在此基础上发展了Pt-C-PTFE和Pt/SDB等类型疏水催化剂。由于Pt-C-PTFE型催化剂具有强度高、稳定性强及活性高等特点，因而成为各国优先选择的重点，但就制备方法而言，不同国家采用了不同的研制方法。美国和加拿大主要采用了以陶瓷球或不锈钢网为载体，将Pt/C催化剂与PTFE乳液一起涂覆在载体上，所制备出的疏水催化剂。德国、罗马利亚和比利时等欧洲国家则主要是通过将Pt/C和PTFE粉末进行混合后，压制成一定形状，制备得到此类疏水催化剂。总体而言，美国和加拿大所采用涂覆法所制备的疏水催化剂具有活性金属利用率高、强度高的优点，但工艺复杂，催化剂与载体的结合强度不高，需要对载体进行前期处理，所制备的疏水催化剂的形状不可控。而欧洲国家采用压制法所制备的疏水催化剂工艺简单，但活性金属利用率低，形状单一。

在国内，疏水催化剂的发展适于上世纪80年代，主要是以陶瓷和泡沫镍作为支撑载体进行此类催化剂的研制。该方式需要对载体进行前期处理，所制备的疏水催化剂形状同样不可控。在氢-水同位素交换领域的疏水催化剂的实际应用中，需将疏水催化剂和亲水填料在交换柱内装填，而疏水催化剂的形状将会直接影响交换效率。因此，目前迫切需要开发一种能够解决前述问题的疏水性催化剂。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有氢-水同位素交换的疏水催化剂存在的形状单一、活性金属利用率低等问题，提供一种用于氢-水同位素交换的疏水催化剂的制备方法。采用本发明制备的疏水催化剂能够用于含氚废水去氚化、重水提纯和生产等领域，该催化剂能够满足水去氚化、重水提纯和生产的不同规模级别交换柱内特殊装填构型（散装、规整等）和性能的要求。本发明以金属纤维毡作为支撑载体，通过发泡剂进行疏水膜微观结构改性，所制备的疏水催化剂具有形状可控、形状规格多样化、疏水膜呈蜂窝结构、活性金属利用率高、疏水催化剂强度高等特点，能够满足去氚化、重水提纯和生产对不同规模级别交换柱内的装填构型和性能要求。