Исследование гидрофобных катализаторов для разделения изотопов водорода в системе «Вода -водород» по двухтемпературной схеме

УДК 66.096.3

В.А. Ткаченко, Ю.А. Сахаровский

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОФОБНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА В СИСТЕМЕ «ВОДА - ВОДОРОД» ПО ДВУХТЕМПЕРАТУРНОЙ СХЕМЕ

В статье описан перспективный метод очистки водных потоков от трития по двухтемпературной схеме. Представлены основы выбора гидрофобного катализатора изотопного обмена в системе «вода - водород». Приведены результаты испытаний гидрофобных катализаторов в условиях, моделирующих параметры работы «холодной» колонны двухтемпературной установки.

In this paper a promising water streams detritiation method is described. Basics of selecting appropriate hydrophobic catalyst for water - hydrogen isotopic exchange are presented. The results of examination of hydrophobic catalyst in conditions which are modeling parameters of “cold” column of dual-temperature facility operation are given.

В результате активного и широкомасштабного развития ядерной промышленности, получения энергии на АЭС, а в настоящее время успешных попыток проведения термоядерного синтеза, не теряет свою актуальность вопрос разделения изотопов водорода.

Наиболее актуальным вопросом является очистка водных потоков от трития, образующегося в ходе работы ядерных и термоядерных реакторов, а также функционирования предприятий ядерного топливного цикла. Наиболее перспективной системой веществ для разделения изотопов водорода является система «вода - водород». Преимущества этой системы заключаются в большом коэффициенте разделения и низкой коррозионной и химической активности применяемых веществ. Однако, основной метод реализации разделительного процесса в данной системе - combined electrolysis catalytic exchange (CECE) процесс крайне энергозатратен.

Двухтемпературный метод разделения изотопов позволяет, сохраняя преимущества системы «вода - водород», сократить энергозатраты. Суть двухтемпературного метода заключается в использовании второй разделительной колонны, которая работает при более высокой (чем первая) температуре, вместо узла обращения потоков. Эффективность работы двухтемпературной установки определяется разностью температур в колоннах [1]. Нижний и верхний пределы температуры выбирают из следующих соображений:

1. Температура горячей колонны не должна превышать температуру устойчивой работы катализатора (~150oC).

2. Каталитическая активность кэ гидрофобного катализатора должна быть выше 10 с-1, а величина ВЕП не более 0,3-0,4 м при линейной скорости газа (0,2-0,3 м/c) [2].

Для выполнения этих требований необходимо провести целый ряд исследований. В данной статье приведены результаты первого этапа работ, направленного на подбор катализатора для холодной колонны.

Для исследований были выбраны три образца катализаторов. Образец №1 - платина на неорганическом носителе, образцы №2 и №3 -платина на СДВБ, отличающиеся между собой только активностью. Активность катализаторов была измерена по стандартной методике [3] в прямоточном реакторе. Схема установки представлена на рис. 1. а) б)

Рис. 1. Схема прямоточного реактора

(z 0, zK, y0, yK,x0, хк - начальная и конечная концентрации дейтерия в паре, водороде и

жидкой воде соответственно)

Измерение активности проводилось в следующих условиях: температура насыщения водорода парами тяжелой воды Ts - 333K, температура в реакторе Tr - 348K, поток водорода - 127 нл/ч, время контакта парогазовой смеси с катализатором г - 0,07с.

Далее была определена наблюдаемая энергия активации реакции изотопного обмена Ea в различных условиях насыщения. Для этого была измерена каталитическая активность образцов в различных условиях:

1. Температура насыщения водорода парами тяжелой воды, Ts: - 333K,

температура реактора: 338 - 368K

2. Температура насыщения водорода парами тяжелой воды, Ts: - 313K, температура реактора: 318 - 338K

Результаты опытов представлены в таблице 1.

Таблица І. Результаты измерения каталитической активности исследуемых образцов

Номер образца Каталитическая активность k, c-1 Энергия активации Ea, кДж/моль

Ts = 313 K Ts = 373 K

1 10 3 14

2 8 31 18

3 14 6.5 3.5

Можно видеть, что образцы №1 и №3 обладают активностью, достаточной для использования его для процесса ХИО и удовлетворяющей условию к >10 с"1. Они и были выбраны для дальнейших исследований.

После определения температурной зависимости энергии активации, образцы №1 и №3 были подвергнуты испытаниям в колонне с независимыми потоками. Схема установки представлена на рис. 1.

Методика проведения эксперимента описана в работе [3]. Поток водорода составил 150 л/ч, температура колонны 313^

Так как оптимальное значение величины соотношения потоков 1 для двухтемпературной схемы может существенно отличаться от единицы, поток жидкости варьировали для получения значений 1 равных 1; 2; 4. Результаты экспериментов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Значения ВЭТС и ВЕП, полученные в колонне с независимыми потоками.

Номер образца Соотношение потоков

1 2 4 1 2 4

ВЭТС, см ВЕП, см

1 33 25 18 19 19 19

3 23 17 12 13 13 13

Из представленных данных можно видеть, что значения ВЭТС с увеличением соотношения потоков падают. Величина ВЕП остается постоянной. Аналогичная зависимость наблюдалась и авторами работы [4].

Образцам №1 и №3 соответствуют значения ВЭТС, позволяющие в

определенных условиях применять их в холодной колонне

двухтемпературной установки.

В результате проведенных испытаний образцы №1 и №3 были выбраны в качестве основных для дальнейших исследований.

Библиографические ссылки:

1. Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. - М.: ИздАТ, 2000. - 344 с.

2. Слинько М.Г., Сахаровский Ю.А. Катализ в производстве тяжелой воды // Катализ в промышленности - 2002г., №1, с. 4-12.

3. Никитин Д. М. Разработка способа приготовления гидрофобного

платинового катализатора изотопного обмена водорода с водой.

Диссертация на соискание степени КХН. - М., РХТУ, 2006, 152 с

4. Букин А. Н., Костылев А. И., Марунич С. А., Пак Ю. С., Розенкевич

М. Б. Исследование нового катализатора CECE процесса применительно к детритизации водных отходов. // Материалы Российской научно-

технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы радиохимии и радиоэкологии», 2011