[发明专利]一种碳化硅疏水催化剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅疏水催化剂及制备方法，适用于规模化生产氢-水同位素交换的疏水催化剂，并用于重水生产及核能设施含氚废水的处理。

背景技术

随着核裂变与聚变能源的发展，大量低浓含氚废水的处理与处置工作成为重中之重。氢-水液相催化交换工艺（LPCE）是指气态氢气与液态水之间进行的相间氢同位素交换反应，是目前广泛应用的低能耗条件下进行重水除氚和含氚废水处理的有效手段。

疏水催化剂是实现LPCE工艺的关键。对于常规的亲水催化剂，液态水可能进入催化剂微孔，使氢气在催化剂内输送困难，无法到达活性位点，造成催化剂“中毒”；而疏水催化剂则可利用某些材料的特性在催化剂上构建“憎水”环境，在极大程度上避免这种情况的发生，提高催化效率，并延长使用寿命。目前工程演示实验阶段 LPCE 反应采用的疏水催化剂主要有Pt/有机高聚物、Pt/C-PTFE（聚四氟乙烯）和Pt/C/IC（惰性载体）三种类型。

Pt/有机高聚物类型是直接将活性金属Pt 负载于SDB（聚乙烯-二乙烯基苯聚合物）、PTFE 等高分子有机载体上。Pt/C-PTFE 和Pt/C/IC 两种疏水催化剂则是先将Pt负载在高比表面积的亲水性碳载体上，获得高分散度的Pt/C 催化剂，再在其中加入PTFE，使催化剂具有疏水性。SDB是目前使用最多的疏水载体，具有多孔结构，通过处理可得到较高的比表面积，将Pt负载在SDB上制备的Pt/SDB疏水催化剂已经被用于进行工业化重水除氚。但这类催化剂的缺点是：SDB耐辐照性差，氚滞留严重；PTFE疏水载体的比表面积不够理想，负载量小；有机类高聚物载体热稳定性不理想，耐辐照性差；使用时床层阻力较大。

负载型纳米金属催化剂主要通过浸渍-气相还原法、浸渍-液相还原法、微波加热法、微乳液法等方法进行制备。金属盐溶液浸渍到载体上后都要经过干燥，制备成含金属离子的负载型催化剂前驱体，然后采用气相还原法将活性金属离子转化成单质态，提高和稳定催化活性。常用的Pt/C催化剂，其制备流程为：将前驱体溶液氯铂酸逐渐浸渍吸附到载体炭黑上，经过干燥后，在一定温度下的H₂还原气氛中，将活性金属粒子从前驱体中还原出来，从而获得所需要的催化剂。该方法简单且易于进行工业化生产，但活性金属Pt颗粒较大，在负载量高时容易发生团聚。

催化剂中载体的作用包括活性组分的承载、分散作用，抑制活性组分晶粒的增长，为活性组分提供大比表面积与合适的孔结构，使催化剂有良好的机械强度和导热性能等。因此要求载体具备良好的机械性能（抗磨损、抗冲击及抗压性能），对反应与再生过程有足够的热稳定性，有合适的孔结构与表面积，容易获得且价格低廉。

专利（公开号：101108341）将多孔高分子树脂球与聚乙烯醇、偶氮二异丁腈、二氯乙烷和二乙烯苯等混合，通过加热搅拌、恒温聚合、溶剂浸泡和静置干燥的流程制备具有疏水性的树脂球载体，然后将其加入至氯铂酸溶液中，浸渍、干燥、通氢还原后得到疏水催化剂。主要缺点为：疏水催化剂的主要制备过程包括浸渍、干燥和通氢还原步骤，金属离子负载结合力不强，在使用过程中易脱落；还原温度为400℃~500℃，活性金属离子易团聚；通氢高温还原容易造成高分子材料成份融化、分解和对金属粒子的包裹，从而造成催化剂失效和氚滞留；热不稳定性催化剂不满足LPCE工艺在60℃~80℃的使用要求，不耐辐照，不适用于氚水同位素交换反应的长期进行。

专利（专利编号：201310525454）提供了一种用于氢-水同位素交换的疏水催化剂的制备方法，采用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。主要缺点为：金属纤维毡杂质多，且易生锈，不满足LPCE工艺对水质的高要求。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种碳化硅疏水催化剂，以解决现有技术中存在的上述问题。本发明这种疏水催化剂利用碳化硅良好的化学稳定性、机械强度、导热性能和低密度微孔结构，克服常规疏水催化剂在工程化应用中的耐辐照、氚滞留量大、传热性差和杂质控制问题；这种催化剂的应具有泡沫状碳化硅多孔载体结构，水汽分配效果良好，催化交换反应充分。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种碳化硅疏水催化剂的制备方法。

本发明的碳化硅疏水催化剂，按重量百分比包括以下组分：

碳化硅90%~95%

聚四氟乙烯5%~10%

铂0.4%~1.5%