CN105158378A - 一种测量氢同位素分离因子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量氢同位素分离因子的方法，包括：(1)取出标准罐中的含氘氢同位素气体，记录压力P₀；(2)令固定床反应器吸收含氘氢同位素气体至接近饱和，记录压力P₁；(3)将固定床反应器从分离因子测试系统中取出，放入至恒温槽中；(4)将固定床反应器间歇性反复颠倒震荡，得到平衡气相样；(5)将固定床反应器接回至分离因子测试系统中，对系统抽真空；(6)将固定床反应器中的气体充入到系统管路中，并迅速关闭固定床反应器；(7)记录压力P₂，收集平衡气相样；(8)获取平衡气相样中的氘浓度y，计算出固相中的氘浓度x；(9)计算氢同位素分离因子α。本发明操作便捷、成本低廉，非常适合用于测量氢同位素分离因子。

Description

一种测量氢同位素分离因子的方法

技术领域

本发明涉及一种氢同位素与固相材料间，气-固两相反应达平衡时，氢同位素在两相间的平衡分配系数，即分离因子的测量方法。

背景技术

在氢同位素与固相材料的反应中，由于热力学同位素效应，会导致不同的氢同位素(例如氕和氘)在固相中的稳定性不同。这种稳定性的差异是许多氢同位素分离方法的理论基础。为了定量的描述这种差异，研究者们大多采用分离因子这个概念。简单的说，分离因子就是在平衡时气-固两相间的同位素浓度比例，可以用数学公式表达为：其中，α表示分离因子，x表示固相中的氘浓度，y表示气相中的氘浓度。

评价一种材料对氢同位素分离性能的好坏，其中一个关键的因素就是看其分离因子的大小，分离因子越大，则分离效果越好。同时，分离因子的具体数据也是在设计实际的氢同位素分离过程时需要考虑的。因此，分离因子的测量在实际的氢同位素分离工艺中具有十分重要的地位。

目前，分离因子的测试方法大多比较繁琐，而且需要一些昂贵的或者受国外进口限制的高科技设备。而所有这些方法或者设备都是为了克服同一个问题，即氢同位素在气相中缓慢的扩散。因为在气-固两相间的同位素交换反应中，阻碍平衡的关键因素是氢同位素在气相中的扩散。现有的测量方法大多是将反应器连接在某个气路系统上，这导致了氢同位素扩散的距离较长，而由Fick定律我们可以知道，扩散并达到平衡的时间将与扩散距离的平方成比例关系。因此，这个平衡的时间将是十分漫长的。为了快速达到平衡，一般在气路系统中配有气体循环泵。但是气体循环泵十分昂贵，而且受到一些发达国家的进出口限制。另外，还可以采用激光解析的方法对分离因子进行原位测量，但是这需要十分昂贵的激光设备以及与之配套的在线质谱分析设备。

因此，发展一种简易的，能够快速实现气相中扩散平衡的方法，从而快速、准确地测量分离因子是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量氢同位素分离因子的方法，其可以缩短气体扩散的距离，并有效实现气相的快速均匀化，从而快速测量出氢同位素分离因子。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种测量氢同位素分离因子的方法，包括以下步骤：

(1)将分离因子测试系统的标准罐中的含氘氢同位素气体取出，并记录分离因子测试系统此时的气体压力P₀；

(2)打开分离因子测试系统的固定床反应器上的阀门，使其吸收含氘氢同位素气体，吸收时间不超过20min，并记录分离因子测试系统此时的气体压力P₁；

(3)关闭固定床器上的阀门，并将固定床反应器从分离因子测试系统中取下，然后放入至恒温槽中；

(4)每隔20～30min将固定床反应器反复颠倒震荡十次，持续时间至少为3h，直至固定床反应器中的固体粉末将气相均匀化，得到平衡气相样；

(5)将固定床反应器重新接入到分离因子测试系统中，并打开分离因子测试系统中的真空泵，对分离因子测试系统进行抽真空处理；

(6)打开固定床反应器的阀门，将固定床反应器中的气体充入到分离因子测试系统的管路中，并迅速关闭固定床反应器的阀门，整个开、关时间在1s内完成；

(7)记录分离因子测试系统此时的气体压力P₂，并利用取样瓶收集平衡气相样；

(8)获取平衡气相样中的氘浓度，并将其记为y；同时，根据P₀、P₁和P₂以及分离因子测试系统各部分的体积，利用质量平衡计算出固相中的氘浓度，然后将其记为x；

(9)根据步骤(8)得到的数值，利用下列公式计算并得到氢同位素分离因子α：

$\mathrm{\α}=\frac{x}{1-x}/\frac{y}{1-y}.$

作为优选，所述步骤(8)中，采用质谱仪或色谱仪获取含氘氢同位素气体和平衡气相样中的氘浓度。

本发明的设计原理在于，为了缩短气体扩散的距离，本发明将气-固间的同位素交换反应限制在固定床反应器内，这样就省略了距离较长的管路系统。在传统的分离因子测量中，为了测量气相中的氘浓度，必须将固定床反应器与分离因子测试系统连接，然后在系统上连接取样器，这就导致了固定床反应器到取样口的距离很难缩短。本发明只需要在固定床反应器中的反应达平衡后，将固定床反应器再连接回至分离因子测试系统中，然后快速打开二者相连的阀门，则固定床反应器中的气体就会充入预先抽真空的系统中，继而就可以方便的取样，并测量气相中的氘浓度，同时利用压力传感器读出压力。由于在开阀的过程中，压力突降会导致氢的解析，由此可能会产生因热力学或动力学同位素效应所带来的误差。因此，本发明将开阀的时间控制在1秒以内，在如此短的时间内，这种效应所造成的误差完全可以忽略。

但是，由此又产生了另一个可能的误差，即在如此短的时间内，固定床反应器与系统间的压力平衡能否达到？由于在本发明中，固相中的氘浓度是根据质量平衡计算得到，而在计算过程中必须要用到这个压力参数。因此，这个可能的误差必须考虑。为此，本申请发明人在大致相同的条件下(即固定床反应器压力相同、开阀时间相同)进行了气体的压力平衡实验，结果表明，压力的误差不超过1bar。虽然这是一个比较大的误差，但是，根据本发明所设计的测量分离因子的方式，其获得的分离因子，误差并没有超过1％。因此，这样的处理方式是完全可行的。

而由于气-固间的同位素交换反应很快，平衡的时间一般不超过30分钟。瓶颈来自气相中的扩散平衡。虽然经过上一步缩短扩散距离的处理，但是通过氢同位素气相扩散的计算表明，要实现气相中的扩散平衡所需的时间仍然很长。例如，如果希望扩散过程的误差函数β<0.05(这样可以将分离因子的误差控制在1％以内)，则平衡的时间仍将在50小时以上。为了进一步缩短反应达平衡的时间，在平衡的过程中，本发明间歇性的将固定床反应器反复的颠倒振荡。这样，虽然没有气体循环泵，但运动的固体粉末将促使气相的均匀化，这样的过程相当于在反应过程中使用了循环泵。最终的结果表明，这个步骤对气相均匀化的促进是十分明显的，反应达平衡的时间进一步缩短为3小时左右。

经过这两步的处理后，气-固间的氢同位素交换反应可以很快的达到平衡。最后，分别得到气相和固相中的氘浓度(固相中的氘浓度则可以由反应各阶段的压力数据以及系统各部分的体积根据质量平衡来计算)，即可根据分离因子的定义式，得到分离因子的具体数值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明设计了一种简单的分离因子测量方法，实现了气相中扩散的快速平衡，从而对分离因子进行了快速、准确的测量。本发明无需采用昂贵的设备(例如气体循环泵)，只需采用常规的分离因子测试系统即可很好地进行分离因子的测量，并获得分离因子的具体数值，并且测量精度非常有保证，无需用到十分精密的进口压力传感器；同时，在确定固相中的氘浓度时，本发明也无需采用传统的热解析方法。因此，与传统的分离因子测量方法相比，本发明不仅节约了实验成本的投入，而且不采用传统的热解析方法来确定固相中的氘浓度也增加了实验的灵活性，并且有效地提高了效率(热解析是一个繁琐而费时的过程)。

(2)本发明在固定床反应器吸氢接近饱和后，将其取下并放入到恒温槽中，从而将气-固间的同位素交换反应限制在固定床反应器内，这样，气体扩散的最长路径将不超过阀门到固定床反应器底部距离的1/2。如此一来，本发明只需对很小的固定床反应器进行控温，即可保证分子因子的有效测量，无需对整个气路系统进行控温，因而不仅操作灵活，而且降低了测量成本。

(3)本发明采用质谱仪或色谱仪获取气相中的氘浓度，不仅分析速度快，而且灵敏度高。

(4)本发明设计合理、构思巧妙、操作便捷、成本低廉，其性价比相当高，非常适合大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明所用到的分离因子测试系统的结构示意图。

图2为本发明的流程示意图。

其中，附图标记对应的零部件名称为：

1-原料气罐，2-固定床反应器，3-标准罐，4-取样瓶，5-压力传感器，6-真空泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

本发明提供了一种新的测量氢同位素分离因子的方法，其可以快速促使气-固两相间氢同位素交换反应达到平衡。本发明是在分离因子测试系统上实现分离因子测量的，如图1所示，本发明所用到的分离因子测试系统包括通过管道连接的原料气罐1、固定床反应器2、标准罐3、取样瓶4、压力传感器5、真空泵6以及一些阀门。所述的原料气罐1中盛装有含氘氢同位素气体，而所述的固定床反应器2中则填装有可以促使含氘氢同位素气体气相均匀化的固体粉末(例如铁粉)。

如图2所示，利用上述分离因子测试系统，下面对本发明获得氢同位素分离因子的过程进行介绍，如下所述：

(1)打开原料气罐上的阀门，使其内的含氘氢同位素气体(例如氕氘混合气体)充入到标准罐中；

(2)打开相应的阀门，使标准罐中的含氘氢同位素气体充入到分离因子测试系统的管路中，利用压力传感器记录此时的气体压力P₀；

(3)打开固定床反应器上的阀门，使其吸收含氘氢同位素气体，吸收时间不超过20min(吸收接近饱和)，并利用压力传感器记录分离因子测试系统此时的气体压力P₁；

(4)关闭固定床反应器上的阀门，并将固定床反应器从分离因子测试系统中取下，然后放入至恒温槽中；

(5)每隔20～30min将固定床反应器反复颠倒震荡十次，持续时间至少为3h，直至固定床反应器中的固体粉末将气相均匀化，得到平衡气相样；

(6)将固定床反应器重新接入到分离因子测试系统中，并打开真空泵，对分离因子测试系统进行抽真空处理；

(7)打开固定床反应器的阀门，将固定床反应器中的气体充入到分离因子测试系统的管路中，并迅速关闭固定床反应器的阀门，整个开、关时间在1s内完成；

(8)利用压力传感器记录分离因子测试系统此时的气体压力P₂，并利用取样瓶收集平衡气相样；

(9)利用质谱仪或色谱仪获取平衡气相样中的氘浓度，并将其记为y；同时，根据P₀、P₁和P₂以及分离因子测试系统各部分的体积，利用质量平衡计算出固相中的氘浓度，然后将其记为x；

(10)利用下列公式计算并得到氢同位素分离因子α：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{x}{1-x}/\frac{y}{1-y}.$

本发明将理论与实践进行了充分的结合，设计出了一套简易的、可以促使气-固两相间氢同位素交换反应快速达到平衡的方法。而大量的实验也表明，本发明在促进平衡方面是相当有效的，既包括气-固间同位素交换反应的平衡，也包括气相中的扩散平衡。因此，本发明很好地突破了现有技术的限制，实现了重大的创新，本发明相比现有技术来说，技术进步十分明显，其具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种测量氢同位素分离因子的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将分离因子测试系统的标准罐中的含氘氢同位素气体取出，并记录分离因子测试系统此时的气体压力P₀；

(2)打开分离因子测试系统的固定床反应器上的阀门，使其吸收含氘氢同位素气体，吸收时间不超过20min，并记录分离因子测试系统此时的气体压力P₁；

(3)关闭固定床反应器上的阀门，并将固定床反应器从分离因子测试系统中取下，然后放入至恒温槽中；

(4)每隔20～30min将固定床反应器反复颠倒震荡十次，持续时间至少为3h，直至固定床反应器中的固体粉末将气相均匀化，得到平衡气相样；

(5)将固定床器重新接入到分离因子测试系统中，并打开分离因子测试系统中的真空泵，对分离因子测试系统进行抽真空处理；

(6)打开固定床反应器的阀门，将固定床反应器中的气体充入到分离因子测试系统的管路中，并迅速关闭固定床反应器的阀门，整个开、关时间在1s内完成；

(7)记录分离因子测试系统此时的气体压力P₂，并利用取样瓶收集平衡气相样；

(8)获取平衡气相样中的氘浓度，并将其记为y；同时，根据P₀、P₁和P₂以及分离因子测试系统各部分的体积，利用质量平衡计算出固相中的氘浓度，然后将其记为x；

(9)根据步骤(8)得到的数值，利用下列公式计算并得到氢同位素分离因子α：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{x}{1-x}/\frac{y}{1-y}.$

2.根据权利要求1所述的一种测量氢同位素分离因子的方法，其特征在于，所述步骤(8)中，采用质谱仪或色谱仪获取含氘氢同位素气体和平衡气相样中的氘浓度。