喻　彬，唐　濤，熊仁金，宋江鋒，張　志，陳　閩，安永濤，呂　超，羅德禮

中國(guó)工程物理研究院 材料研究所，四川 綿陽　621908

?

Ni基催化劑的氫-水汽相催化交換性能

喻彬，唐濤，熊仁金，宋江鋒，張志，陳閩，安永濤，呂超，羅德禮*

中國(guó)工程物理研究院 材料研究所，四川 綿陽621908

摘要：汽相催化交換(VPCE)是水除氚的重要手段之一，本研究采用金屬Ni替代常用的貴金屬Pt作為逆流型VPCE工藝的催化劑，研究了其在多種實(shí)驗(yàn)條件下HDO-H2反應(yīng)體系中的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)催化交換性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，催化劑在溫度大于200 ℃、壓力和反應(yīng)物濃度的摩爾比值(HDO∶H2)越大的條件下，催化交換反應(yīng)向正方向移動(dòng)，催化性能更好；在Ni高負(fù)載率的情況下，其催化性能優(yōu)于Pt基催化劑。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)物平衡氘濃度與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)一致，H2中氘摩爾濃度均為1%左右；且進(jìn)料比例對(duì)結(jié)果的影響規(guī)律與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)一致，反應(yīng)物HDO越多，產(chǎn)物氘濃度越大。本研究表明了純Ni催化劑在HDO-H2催化交換反應(yīng)體系中有著較為明顯的催化作用，可以替代傳統(tǒng)貴金屬Pt作為逆流型VPCE工藝的催化劑。

關(guān)鍵詞：水除氚；水-氫交換；汽相催化交換；鎳催化劑

隨著各類型反應(yīng)堆在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用，氚的產(chǎn)生越來越多。例如1 000 MWe的壓水堆和沸水堆，隨廢水排出的氚分別為3.7×1013Bq/a和5.6×1012Bq/a[1]。對(duì)于CANDU堆，據(jù)加拿大Chalk River實(shí)驗(yàn)室報(bào)道[2]，每年氚的產(chǎn)生量約為51.8～74 MBq/W(0.14～0.2 g/MW)。乏燃料后處理和各類氚處理系統(tǒng)中，也不可避免地產(chǎn)生含氚廢水。此外，建造中的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)將使用D+T反應(yīng)作為聚變反應(yīng)的方式，在其運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的含氚廢水。

含氚水提氚或除氚屬于氫同位素分離領(lǐng)域，是將氫同位素氚從水中分離或交換出來，從而得到或去除某種氫同位素(水)[3]。液相催化交換(LPCE)和汽相催化交換(VPCE)是實(shí)現(xiàn)氫-水氫同位素催化交換反應(yīng)的兩種主要的技術(shù)途徑，其原理均是通過氫氣與水(液態(tài)或氣態(tài))發(fā)生氫同位素交換反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)水中所含的氫同位素向氣相轉(zhuǎn)移的目的。其中，LPCE反應(yīng)一般在約70 ℃進(jìn)行，在這一溫度條件下水呈液態(tài)，若使用親水催化劑，水會(huì)在催化劑表面聚集，將催化劑的活性組分覆蓋，阻礙H2(或D2)到達(dá)催化劑表面，從而使得氫-水氫同位素交換反應(yīng)無法進(jìn)行，即發(fā)生所謂的催化劑中毒現(xiàn)象。因此，LPCE反應(yīng)要求使用疏水催化劑，發(fā)展至今，主要使用貴金屬Pt作為催化劑活性成分，且要進(jìn)行疏水處理，制備工藝較為復(fù)雜[4]。在LPCE長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，水蒸氣會(huì)在疏水催化劑空隙內(nèi)發(fā)生毛細(xì)管冷凝現(xiàn)象，形成液態(tài)水覆蓋活性位點(diǎn)導(dǎo)致催化活性降低。而VPCE反應(yīng)由于一般在約200 ℃下進(jìn)行。在此溫度下，由于水呈汽態(tài)，不需要考慮液態(tài)水覆蓋催化劑活性中心表面致催化劑失活的情況發(fā)生，因此使用普通的親水催化劑即能滿足要求。親水催化劑制備工藝簡(jiǎn)單，只需要簡(jiǎn)單負(fù)載即可，且在特定工藝條件下其催化效率明顯高于疏水催化劑。

汽相催化交換(VPCE)最早出現(xiàn)于美國(guó)曼哈頓計(jì)劃中[3]，用于生產(chǎn)重水過程中的初濃，以及反應(yīng)堆重水除氚；20世紀(jì)70年代，法國(guó)的Lane-Langevin研究所采用VPCE+低溫精餾(CD)的技術(shù)進(jìn)行重水提氚，這是世界上最早利用VPCE進(jìn)行重水提氚的工業(yè)化應(yīng)用裝置[5-6]。聚變反應(yīng)堆中會(huì)產(chǎn)生大量的氚水，排出這些氚水必須達(dá)到允許排放的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃中曾經(jīng)提出過使用VPCE反應(yīng)裝置進(jìn)行水降氚，使得高濃度的氚水濃度降低到可以排放的標(biāo)準(zhǔn)濃度[7]。近年來，我國(guó)內(nèi)陸核電站正處于前期論證籌建階段，有望建成我國(guó)內(nèi)陸省份的第一批內(nèi)陸核電站，而內(nèi)陸核電站液態(tài)流出物氚達(dá)標(biāo)排放控制是制約內(nèi)陸核電穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。對(duì)此，中國(guó)工程物理研究院(China Academy of Engineering Physics, CAEP)研發(fā)了一種新型蒸汽相催化交換方法[8]，采用逆流交換塔柱取代傳統(tǒng)的并流型工藝來進(jìn)行水除氚，本工作利用該裝置測(cè)試催化劑的催化性能。

最早使用的催化劑為Pt/C和Ni/Cr2O3，后來發(fā)展為Pt/Al2O3催化劑。催化劑的活性金屬都來自于過渡金屬元素，這是因?yàn)檫^渡金屬元素半充滿的d能帶結(jié)構(gòu)，d能帶上的空穴能從外部接受電子并且吸引分子成鍵[9]， Hundt 等[10]研究結(jié)果顯示，氘水在金屬Ni 的(111)晶面很容易解離。研究表明，Ni在H/D催化交換方面有明顯的催化作用[11-12]。不僅于此，Ni作為一種廉價(jià)高效的催化劑，在加氫、脫氫、氧化脫鹵、脫硫等方面均有很好的應(yīng)用[13-14]。本工作使用純Ni代替貴金屬Pt作為催化劑，研究了其在多種實(shí)驗(yàn)條件下HDO-H2反應(yīng)體系中的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)催化交換性能。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與材料

H2、N2均購于四川梅賽爾氣體產(chǎn)品有限公司，H2純度大于99.999%，N2純度99.999%。氘水購于美國(guó)Sigma-Aldrich公司，純度為99.9%。氯鉑酸購于昆明貴研鉑業(yè)股份有限公司，鉑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.94%。

202-1型電熱恒溫干燥箱，北京中興偉業(yè)儀器有限公司。微色譜Agilent Technologies 490 Micro-GC，美國(guó)安捷倫科技有限公司。X’Pert Pro型X射線衍射儀(X-ray diffraction，XRD)，荷蘭帕納科公司(PANalytical)。Ultra 55型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)，德國(guó)蔡司Carl Zeiss SMT Pte Ltd.。

1.2Ni催化劑的制備

采用四川塞尚科技有限公司的純鎳催化劑，其主要成分是氧化鋁負(fù)載NiO(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥14.5%)，適用于以天然氣、煤造氣、焦?fàn)t氣、煉廠氣等制取甲醇、合成氨、氫氣的同類裝置中。用去離子水沖洗催化劑顆粒，然后在馬弗爐內(nèi)空氣氣氛下烘干，最后在管式爐中用φ=10% H2+N2的混合氣體還原4～6 h，流量為500 mL/min，還原溫度為750 ℃，最終得到Ni負(fù)載率大于11.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的純Ni催化劑顆粒。

1.3Ni催化劑的氫同位素催化交換靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

將制備好的Ni催化劑置于靜態(tài)反應(yīng)器中進(jìn)行氫同位素交換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，用HDO-H2交換反應(yīng)交換到H2中的HD濃度表征催化劑的交換性能。實(shí)驗(yàn)裝置示于圖1，將催化劑置于密閉的反應(yīng)器內(nèi)，注入定量的HDO，在32 ℃下通入定量的高純氫，使用恒溫爐進(jìn)行加熱，設(shè)定溫度200 ℃。當(dāng)系統(tǒng)溫度大于100 ℃時(shí)，注入的氘水轉(zhuǎn)化為蒸汽相，交換反應(yīng)隨之開始，用微色譜Agilent Technologies 490 Micro-GC開始取樣分析，取樣步長(zhǎng)5 min。實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)列于表1。

圖1　氫同位素交換靜態(tài)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematic of experimental apparatus for hydrogen isotope exchange reaction

實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)催化劑質(zhì)量324g反應(yīng)器容積6.3L設(shè)定溫度110～280℃注入HDO中氘濃度(摩爾分?jǐn)?shù))4.84%注入的高純H2氘濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))150×10-6(≈0%)

1.4Ni催化劑的VPCE動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

近年來CAEP設(shè)計(jì)建造了一種新型VPCE裝置，采用逆流工藝替代傳統(tǒng)的并流工藝，原理示于圖2。

對(duì)于逆流型VPCE(N-VPCE)，有下列質(zhì)量平衡：

(1)

其中：ww是D在水中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wg是D在氣體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下角標(biāo)i表示進(jìn)料，w表示水中，e表示出料，g表示氣體中。

假設(shè)交換反應(yīng)在出口處達(dá)到平衡，得到：

(2)

α是分離因子，在200 ℃時(shí)α≈2，由式(1)、(2)得到：

(3)

同樣的，對(duì)于傳統(tǒng)并流VPCE，得到：

=0.67( ww,i+wg,i)

(4)

本工作所用的VPCE逆流交換裝置，具體實(shí)施示于圖3。催化劑裝填于T2反應(yīng)段內(nèi)，高純氫從底部向上輸送，x(D)=4.84%的氘水從頂部輸入，經(jīng)由T1加熱段加熱蒸發(fā)轉(zhuǎn)換為蒸汽相，T1段壓力略大于大氣壓，驅(qū)動(dòng)蒸汽相氘水下行至T2段與氫氣在催化劑作用下進(jìn)行催化交換反應(yīng)。反應(yīng)過后的HD從上端輸出，低濃度汽相氘水下行至C2冷凝為液相輸出至儲(chǔ)液罐L2。在尾氣端接入Agilent Technologies 490 Micro-GC微色譜對(duì)尾氣進(jìn)行氘濃度分析。

圖2　逆流(a)和并流(b)VPCE示意圖Fig.2　Schematic of new(a) and conventional(b) VPCE

S1——交換柱；C1、C2——冷凝器；T1、T2——加熱器；L1、L2——儲(chǔ)液罐；F1、F2——流量計(jì)；K——Agilent Technologies 490 Micro-GC微色譜圖3　VPCE實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3　Schematic of experimental apparatus for hydrogen isotope exchange reaction

2結(jié)果與討論

2.1Ni催化劑的表征

圖4為Ni催化劑的XRD分析測(cè)試譜圖。從圖4可以看出，催化劑還原充分，只含有基底Al2O3和活性成分單質(zhì)Ni。圖5為催化劑成品的外觀和SEM圖。由圖5可以看出，基底Al2O3為多孔結(jié)構(gòu)，Ni單質(zhì)顆粒較均勻地分散在基底材料中，Ni單質(zhì)顆粒尺寸約為100 nm。此結(jié)構(gòu)有利于降低氫氣及水蒸氣的壓降，且能提供更多有效催化交換位點(diǎn)，從而提高催化交換效率。

◇——Ni，○——Al2O3圖4　Ni催化劑XRD圖Fig.4　XRD pattern of the synthesized Ni catalyst

2.2Ni催化劑氫同位素催化交換靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

氫同位素催化交換實(shí)驗(yàn)中，氘水與氫氣在Ni催化劑表面發(fā)生如下交換反應(yīng)：

(5)

催化交換過程為擴(kuò)散、化學(xué)吸附、表面反應(yīng)、脫附和反方向擴(kuò)散(以H2和HDO為例)：

(6)

(7)

(8)

(9)

圖5　Ni催化劑外觀(a)和SEM圖像(b)Fig.5　Appearance(a) and SEM micrograph(b) of Ni catalyst

反應(yīng)物氫氣和水氣分子擴(kuò)散進(jìn)入催化劑顆粒的內(nèi)部(內(nèi)擴(kuò)散)，反應(yīng)物化學(xué)吸附，在催化劑的作用下，H2或氫同位素氣體在活性金屬表面上進(jìn)行吸附解離, 為反應(yīng)提供活性氫原子，在催化劑上進(jìn)行同位素交換，最后完成脫附以及氫原子結(jié)合[16]。

圖6(a)為110、140、170、200 ℃條件下，氫同位素催化交換反應(yīng)隨時(shí)間變化的曲線，進(jìn)料氘水2.92 mL，氫氣約3.83 L，取樣步長(zhǎng)為5 min。由圖6(a)可見，反應(yīng)平衡物中，H2中HD的摩爾分?jǐn)?shù)(x)隨著溫度由高到低遞減，依次為1.37%(200 ℃)>1.31%(170 ℃)>1.27%(140 ℃)>1.19%(110 ℃)，表明該反應(yīng)在高溫時(shí)平衡向正方向移動(dòng)，有利于提高氫同位素催化交換效率。圖6(b)為Ni催化劑催化交換效果與Pt催化交換效果的對(duì)比圖，Ni催化劑裝填量為166 g，其中w(Ni)≈10%，Pt催化劑裝填量為151 g，其中w(Pt)=0.5%。在140、200 ℃的條件下，反應(yīng)平衡物H2中HD的摩爾分?jǐn)?shù)從上到下依次為1.41%(Ni，200 ℃)、1.34%(Ni，140 ℃)、1.33%(Pt，200 ℃)、1.26%(Pt，140 ℃)，可以看出，在Ni高負(fù)載量的情況下，氫同位素催化交換效果略優(yōu)于Pt的催化效果。

表2為不同壓力、不同溫度、不同進(jìn)料比例的氫同位素催化交換靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表2第(1)組結(jié)果來看，壓力越高，平衡向反應(yīng)正方向移動(dòng)，產(chǎn)物氣體氘濃度越大；第(2)、(3)組結(jié)果顯示，反應(yīng)物中氘水越多，反應(yīng)產(chǎn)物氣體中含氘量越大，且分別從第(2)、(3)組前兩個(gè)數(shù)據(jù)看出，在壓力相當(dāng)?shù)那闆r下，溫度越高，反應(yīng)平衡向正方向移動(dòng)，產(chǎn)物氣體氘濃度越大。由此可見，在實(shí)際應(yīng)用中，增大VPCE反應(yīng)的壓力、提高反應(yīng)溫度、調(diào)整進(jìn)料比例，能有效提高氫同位素催化交換效率。

由表2靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，Ni催化劑在HDO-H2催化交換反應(yīng)體系中有較為明顯的催化作用，另外，貴金屬Pt的市場(chǎng)價(jià)格是Ni的3 500倍以上。所以，Ni替代Pt作為逆流型VPCE的催化劑活性組分，不僅有效，而且可以大大降低工業(yè)應(yīng)用的成本。

(a):■——200 ℃，●——170 ℃，▲——140 ℃，▼——110 ℃；(b)：■——Ni，200 ℃，●——Pt，200 ℃，▲——Ni，140 ℃，▼——Pt，140 ℃圖6　不同溫度下Ni催化靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線(a)和與Pt催化性能對(duì)比圖(b)Fig.6　Static experiment(a) by Ni catalyst at different temperature and platinum experiment(b)

表2Ni催化靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 2Results of static experiment by Ni catalyst

序號(hào)H2∶HDO摩爾比溫度/℃壓力/kPa產(chǎn)物氘摩爾分?jǐn)?shù)/%(1)1∶12093031.462051931.402271081.072051011.03(2)1∶32831081.952291011.78162781.60(3)3∶12541150.972201080.94161890.87

2.3Ni催化劑VPCE動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

氫氣與氘水進(jìn)料比例：1——0.2 L/min∶64 mL/h，2——1 L/min∶64 mL/h，3——2 L/min∶64 mL/h圖7　VPCE動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)尾氣氘濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.7　Deuterium concentration of the product gas from VPCE dynamic experiment

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模逆流型VPCE實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖7和表3，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同的氘水與氫氣進(jìn)料比例。圖7裝填了過量的催化劑，進(jìn)料氘水流量64 mL/h，不同的氫氣流量(0.2、1、2 L/min)，溫度大于200 ℃，氣壓略大于常壓。圖7結(jié)果顯示，隨著時(shí)間增加，同時(shí)溫度升高，氫氣與氘水進(jìn)料比例為0.2 L/min∶64 mL/h時(shí)，大約需要45 min達(dá)到反應(yīng)平衡，氫氣與氘水進(jìn)料比例為1 L/min∶64 mL/h和2 L/min∶64 mL/h時(shí)，大約需要15 min達(dá)到反應(yīng)平衡，說明了原料比例影響反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間；氘水與氫氣進(jìn)料比例越大，平衡時(shí)產(chǎn)物氣體氘濃度越高。進(jìn)料比例1 L/min∶64 mL/h的曲線在達(dá)到頂點(diǎn)后緩慢下降至平衡點(diǎn)，這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)溫度的改變?cè)斐傻?。其中進(jìn)料比例2 L/min∶64 mL/H的曲線產(chǎn)物氘摩爾分?jǐn)?shù)為1%左右，這與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中表2第(1)組的第三個(gè)數(shù)據(jù)x(D)=1.07%一致，說明動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)達(dá)到了理論平衡狀態(tài)。表3給出了更多具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)值，給實(shí)際應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)工況及成本選擇不同進(jìn)料比例。

表3VPCE動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 3Data of VPCE dynamic experiment

原料水中氘摩爾分?jǐn)?shù)/%進(jìn)料水流量/(mL·h-1)進(jìn)料氫氣流量/(L·min-1)GC分析氘摩爾分?jǐn)?shù)/%4.846430.78～0.8320.98～1.0011.27～1.370.21.62～1.680.11.96～1.98

3結(jié)論

本研究采用廉價(jià)金屬Ni替代常用的貴金屬Pt作為逆流型VPCE工藝的催化劑，得到主要結(jié)論如下：

(1) 在HDO-H2靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，在溫度大于200 ℃、壓力和反應(yīng)物HDO與H2的摩爾比值越大的條件下，催化交換反應(yīng)向正方向移動(dòng)，Ni催化性能更好；在Ni負(fù)載大于10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的情況下，其催化性能優(yōu)于0.5%負(fù)載量的純Pt。

(2) 在HDO-H2動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模逆流型VPCE實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，同一條件下，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物平衡氘濃度與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)一致，均為1%(摩爾分?jǐn)?shù))左右；且進(jìn)料比例對(duì)結(jié)果的影響規(guī)律與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)一致，反應(yīng)物HDO含量越多，產(chǎn)物氘濃度越大。

(3) 本研究表明了純Ni催化劑在HDO-H2催化交換反應(yīng)體系中有較為明顯的催化作用，可以替代傳統(tǒng)貴金屬Pt作為逆流型VPCE的催化劑。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅上庚.含氚廢水的處理與處置[J].輻射防護(hù),1993,13(2):159-160.

[2]Holtslander W J, Harrison T E, Goyette V, et al. Recovery and packaging of tritium from Canadian heavy water reactors[J]. Fusion Technology, 1985, 8(9): 2473-2477.

[3]葉林森.疏水催化劑及氫-水液相催化交換性能研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2014.

[4]Belapurkar A D, Gupta N M, Lyer R M, et al. PTFE dispersed hydrophobic catalysts for hydrogen-water isotopic exchange I: preparation and characterization[J]. Appl Catal, 1988, 43: 1-13.

[5]Pautrot P H, Damiani M. Operating experience with the tritium and hydrogen extraction plant at the laue-langevin institute[C]∥ACS Symposium Series. US: American Chemical Society, 1978, 68: 163-170.

[6]Pautrot P H. The tritium extraction facility at the institute LAUE-LANGEVIN experience of operation with tritium[J]. Fusion Technology, 1988, 14: 480-483.

[7]Boccacccini L V. Design description document for the European helium cooled pebble bed (HCPB) test blanket module： FZKA 6723[R]. Karlsruhe, Germany: Institut fur Neutronenphysik und Reaktortechnik, Forschungszentrum Karlsruhe, 2002.

[8]羅德禮.一種蒸汽相催化交換方法:中國(guó)，ZL201410173594.6[P].2014-10-17.

[9]王桂茹.催化劑與催化作用[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2000:83-90.

[10]Hundt P M. Vibrationally promoted dissociation of water on Ni(111)[J]. Science, 2014, 344: 504-507.

[11]Almasan V, Hodor I, Marginean P. A dynamic method for the study of H/D exchange on Ni catalysts[J]. Appl Surf Sci, 1997, 120(3-4): 335-339.

[12]Sagert N H, Shaw-Wood P E, Pouteau R M L. Hydrogen-water deuterium exchange over metal oxide promoted nickel catalysts[J]. Can J Chem, 1975, 53: 3257-3262.

[13]Liu Q H, Dong X F, Mo X M, et al. Selective catalytic methanation of CO in hydrogen-rich gases over Ni/ZrO2catalyst[J]. J Nat Gas Chem, 2008, 17(3): 268-272.

[14]Chu Y H, Guo J X, Juan L, et al. Ni supported on activated carbon as catalyst for flue gas desulfurization[J]. Science China(Chemistry), 2010, 53(4): 846-850.

[15]Huang F, Meng C G. Method for the production of deuterium-depleted potable water[J]. Ind Eng Chem Res, 2011, 50: 378-381.

[16]Enoeda M, Higashijima T, Nishikawa M, et al. Recovery of tritium in inert gas by precious catalyst supported by hydrophilic substrate[J]. J Nucl Sci Tech, 1986, 23: 1083-1093.

收稿日期：2015-10-10；

修訂日期：2015-12-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家磁約束聚變能發(fā)展專項(xiàng)(2013GB08002)；四川省青年科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013TD0017)

作者簡(jiǎn)介：喻彬(1991—)，男(布依族)，貴州織金人，碩士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè) *通信聯(lián)系人：羅德禮(1962—)，男，四川蓬溪人，博士，研究員，長(zhǎng)期從事氘氚燃料循環(huán)技術(shù)等相關(guān)研究，E-mail: luodeli2005@hotmail.com

中圖分類號(hào)：O643.14

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0253-9950(2016)01-0001-07

doi：10.7538/hhx.2016.38.01.0001

Ni Catalyst for Hydrogen Isotope Exchange Between Hydrogen and Vapor Water

YU Bin, TANG Tao, XIONG Ren-jin, SONG Jiang-feng, ZHANG Zhi, CHEN Min, AN Yong-tao, LU Chao, LUO De-li*

Institute of Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621908, China

Abstract:Vapor phase catalytic exchange (VPCE) is one of the important methods for water detritiation. This paper focuses on investigating the catalytic performance of the nickel which could replace platinum catalyst for HDO-H2 static and dynamic experiment under different conditions. The experimental results show that when the temperature is over 200 ℃, and the pressure as well as the mole ratio of HDO-H2 are higher, the nickel catalyst exhibits better catalytic effect in static experiment. It is also found that Ni with high loading has a better catalytic performance than Pt. In the dynamic experiments, the resultant deuterium concentration is about 1% which is in agreement with the results of static experiments. The resultant deuterium concentration is higher when there is more HDO. This study shows that cheap metal Ni catalyst can effectively replace noble metal Pt in HDO-H2 exchange reaction, which is of importance in the practical application.

Key words:water detritiation; HDO-H2 exchange reaction; vapor phase catalytic exchange; nickel catalyst