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5-28 金属氢化物柱内氢同位素的快速排代陆光达 蒋国强 朱新亮 汪小琳 傅依备金属氢化物柱内氢同位素的排代效应源于金属椙馓逑瞪掀鴹固间的交换反应，它与固体表面上同位素交换反应的热力学、动力学性质和固体内部同位素的扩散速率有关，所以，可用来研究测量气－固间的交换速率，获取同位素在固体表面和内部的迁移速度等信息；当金属氢化物具有较强的氢同位素将就时，排代可用来进行氢同位素的分离；在对氘丰度的降低不加严格限制时，排代可用于氚床氚的冷卸载，以避免高温下解吸时氚通过床壁向外的快速渗透。当气－固间的交换速率很快时，排代效应还有其它方面的工程应用价值。有时，实际应用要求排代过程进行得非常快，远快于通常的氢同位素色谱分离或氚的冷卸载过程。寻找能够实现快速排代的金属氢化物材料，既有基础理论又有工程应用方面的意义。针对快速排代的应用需求，本工作对常用贮氢材料 Pd，LaNi5，LaNi4.7Al0.3和ZrCo进行了氢对氘的恒流速排代实验研究，比较排代效果的差别，发现钯的排代速率最快，随后，使用钯材料作快速排代实验的柱填料。快速排代实验中，将排代用氢以较高的压力贮存在一个较小的容器内，该贮氢容器由阀门与实验柱连接。实验柱两端都有不锈钢过滤片，中间填充粉末钯材料。实验柱的另一端也通过阀门与另一个大容器相连。实验程序是：对大容器抽真空，实验柱饱和吸氘，小容器内注入氢，同时打开实验柱两端的阀门，氢气快速通过实验柱流向大容器，排代出的氘随同氢一起被注入处于真空态的大容器，至柱两端压力平衡时排代结束。这种排代的时间很短，所以称为快速排代。取样分析大容器中的气体成分，结合该容器内气体的压力、温度和体积，可获知被排代进入大容器的氘量。 表 1 快速排代实验条件和结果
实验所用的钯粉末是100~200目(0.074~0.149mm)，Pd柱为 f 50mm ´ 49mm，装Pd量150g，吸氘0.467mol，小容器初始氢压力10MPa。两次快速排代实验的条件和结果列于表1。快速排代实验结果表明，以约2.6倍的氢排代Pd柱内饱和吸附的氘，7s内可以将95%以上的氘（标准状态下约11.8L）排代出来，按常规经验，这比抽真空还快，并且，排代的前2s内流速极快且近乎恒定，70%的排代气量在2s内进入大容器，一般估计，大部分氘也应是在这段时间内被排代出来，这样快的排代速率可满足工程应用要求。 可以得出结论：在常用的金属氢化物中，钯氢化物上具有最快的氢同位素排代速率。使用钯作为柱填充材料，可望实现快速排代的工程应用。 |