化学与化工学科研究进展

我院在化学化工学科的研究领域,主要涉及核化学与材料、含能材料与有机化学、电化学和环境化学与工程。核化学与材料领域主要包括放射化学、氚化学、铀(钚)化学及其与核能释放相关的材料化学。含能材料与有机化学主要开展炸药的设计、合成、加工及其老化规律的研究,还开展激光聚变靶相关的高分子材料的制备、性能检测与应用研究。电化学主要开展长寿命热电池的研制与应用研究。在环境化学与工程领域,主要涉及环境监测与净化技术以及放射性废物的退役技术的研究与应用。

1 核化学与材料领域

1.1 气溶胶的及时监测技术

测定气溶胶通过毛细管的穿透率问题,对于研究放射性沿介质裂缝的扩散有重要的应用价值。利用气溶胶的发生和检测设备,借鉴色谱分离过程和分析方法及脉冲进样技术,监测气溶胶通过毛细管后浓度随时间的变化关系。建立该技术,对核试验填埋现场的安全性进行评估具有重要的意义。

1.2 氚化学及其相关材料研究

贮氢材料的研究与开发,对于氚的贮存、分离、净化与处理及应用具有极其重要的作用。采用电弧熔炼的方法,优化热处理条件,制备了主相为h相的Zr3V3O合金,经氘化实验表明,该合金对氘具有优良的表面活性,吸氘容量可达9D/Zr3V3O,吸附平衡压为10-3Pa量级,离解平衡压为10- 4Pa量级,是一种吸氢性能优良的含氧类材料。还开展了Zr-V合金膜的氚化性能研究。

- 3在金属氚化物中行为研究,近年来倍受关注。采用有效介质理论,研究氦在金属钒中的扩散行为,计算结果表明,氦原子在bcc结构的金属钒中四面体位置最稳定,其最可几的扩散路径是沿(100)面,四面体和八面体位置交替扩散。该工作对揭示氦在金属及其氚化物中的行为提供了初步的理论依据。同时,近年来,在金属氢化物的计算模拟工作方面,取得了长足进展,为材料设计提供有利的理论指导。

金属膜表面氧化对其氚化性能有较大影响。采用在氧气氛下高温氧化或电解阳极氧化的方法,制备了不同厚度的钛氧化物,分析了氧化物的组成和物相,表明氧化层是致密连续的,为研究氧化对金属钛的氚化性能的影响提供了结构基础。

重水中氚的提取对于重水反应堆的安全运行至关重要,同时又可提供重要的战略物质氚。与国际同类技术相比,我院具有特色,采用气相色谱分离重水的D- T气体,并达到国际水平。现采用电解气液催化交换与色谱分离相结合的技术,提高对重水的处理能力。在疏水催化剂的研究,一定处理能力的气液催化交换、色谱分离装置和电解池的研制取得较大进展。

1.3 铀(钚)化学

采用显微照相和激光荧光分析等方法,研究了127环氧树脂胶及其配方组分对金属铀表面的腐蚀行为,结果表明,127环氧树脂胶及其配方组分均对金属铀表面发生严重的腐蚀作用,腐蚀的气态产物主要是H2。用碳硫分析仪测定了铀铌合金腐蚀产物中碳、硫的含量,标准偏差分别不大于3.0%15%,硫的检测限为4mg/g。同时也进行了铀铌合金腐蚀产物中氧的含量测定,其分析的标准偏差为6.9%

1.4 放射性药物化学

堆照放射性药物在我院已开展多年,先后合成数10种用于诊断和治疗的放射性标记化合物。近年来,开展了99Mo- 99mTc发生器的研制、117Sn- HEDTMP的制备、153Sm- HEDTMPHA上的吸附研究、188Re- HEDTMP的合成与生物性质研究、153Sm配合物的配体结构与生物活性的构效关系研究,这些研究一方面研制出对不同肿瘤具有疗效的化合物,为20MW反应堆建成后的应用提供支持,另一方面,对于放射性药物化学的学科发展具有推动作用。

2 含能材料与有机化学领域

2.1 性能优良的含能材料及相关高分子材料

新型钝感含能材料的合成研究始终是我院的重点研究方向。1--2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪(LLM-105)是一种合成能量超过TATB而又具有良好的综合性能的钝感含能材料,开展了LLM-105基本物化性能、合成方法、溶解性、能量、冲击波感度、热安定性、力学性能、安全性能及配方的研究,结果表明,获得了合成的基本工艺参数,产率大于34%。还开展了1,3,3- 三硝基氮杂环丁烷的合成研究。

磁性高分子微球是指通过适当的方法使高分子微球与磁性粒子结合起来成为具有一定磁性及特殊结构的微球,采用分散聚合法,以乙醇/水为介质,在Fe3O4磁流体存在下,通过苯乙烯与聚氧乙烯大分子单体共聚制备了同时具有两亲性的磁响应性的高分子微球。通过改变聚合条件,得到平均粒径为5~100m m的两亲性磁性高分子微球。

在不同环境气氛下炸药水分及释出物的检测和有关含能材料的热性能等研究工作都取得较好的进展。

2.2 激光聚变靶材料

研究了惯性约束聚变(ICF)中作为塑料靶支撑层材料聚苯乙烯(PS)中卤素、硅、氚等非金属以及铁、铬、钛等金属元素的掺杂原理和方法;已水为溶剂,通过对凝胶、冷冻及干燥过程的控制,制备了密度≤1.0mg/cm3,孔径≤f 100mm的琼脂-明胶复合泡沫,以水/1,4-二氧环己烷作共混溶剂,制备了密度≤2.0mg/cm3,孔径≤f 30m m的琼脂- 明胶复合泡沫,满足了ICF实验对不同密度、组成各异的泡沫材料的要求;

采用溶胶-凝胶法用旋转镀膜工艺在K9玻璃基片上制备出多孔二氧化硅膜层、有机硅膜层以及有机硅-二氧化硅双层膜。透射谱表明,有机硅- 二氧化硅双层膜可在430~800nm范围内达到高增透,透射率达99%以上。

还开展其它超低密度泡沫材料的制备和性能研究、多孔聚合物的研究以及靶材料的加工装配技术研究工作。

2.3 硬质聚氨酯微球的研究

硬质聚氨酯微球在分离与吸附、生化诊断、血细胞计数以及可作为蛋白质、抗体、酶、和药物的固定载体用于临床检验和诊断方面有着广泛的应用。以二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚醚多元醇及三乙醇胺为原料合成硬质聚氨酯微球,扫描电镜结果显示其微球的粒径在60~80m m范围,研究了预聚温度、三乙醇胺用量及搅拌速率等条件对微球的形态和粒径的影响。

3 电化学

研究了用于长寿命热电池的气相SiO2复合保温材料,所研制的保温材料接近美国同类材料Min-K的水平。研究证明制备工艺和密度是这种材料的主要影响因素。在LiSi/FeS2长寿命热电池的研制中,以LiCl-LiBr-KBr三元电解质替代LiCl- KCl二元电解质,降低了电解质的溶解温度,拓宽了热电池的工作温度范围,并对它们组成的单体电池在不同温度、电流密度等条件下的放电性能进行了研究。通过调研总结了钒电池在澳大利亚、日本和我国的发展进程和研究现状,提出开发固定型储能钒电池对提高电网运行效率、扩大太阳能和风能利用的重要意义。

4 环境化学与工程

4.1 烟气脱硫脱硝技术

电子束氨法是采用电子束辐射、加氨来同时去除烟气中二氧化硫和氮氧化物的一种干法脱硫脱硝工艺技术。该技术已在北京京丰热电有限责任公司烟气脱硫脱硝工程中成功应用,该工程处理烟气量为630kNm3/h,脱硫率≥90%,脱硝率≥20%。同时研究了等离子体烟气脱硫脱硝副产物硫酸铵、硝酸铵的收集技术,讨论了电子束烟气脱硫脱硝装置的腐蚀与防护技术,实验表明,不锈钢304304L321316L等表现出较好的耐腐蚀性能,孔隙率低、抗渗性强的橡胶、玻璃鳞片胶泥、玻璃钢及长效重防腐涂料等都表现出很好的耐蚀效果。对电子束脱硫工业化装置中氨气分析方法的研究表明,纳氏试剂分光光度法准确,但操作较复杂且不能连续测量;检测管只能作为一种定性或半定量的快速检测方法;仪器分析操作简便,但是造价高、技术性强、抗干扰性差。开展了电子束氨法脱硫工业示范工程工艺的试验研究,研究了SO2NOx脱除率与烟气温度、湿度(相对湿度)、吸收剂量、NH3的化学计量比等因素的关系,结果表面,SO2脱除率≥95%NOx脱除率≥70%NH3排放浓度<50´10-6

4.2 放射性废物的退役技术

241Am是极毒组放射性核素,废水中总 a 最高允许排放浓度为1Bq/L。采用絮凝沉淀并结合中空纤维膜微滤组合工艺(FMF)处理低放水平的241Am废水,研制了一体化中空纤维膜废水处理小型实验装置,由絮凝微滤工艺组成的FMF流程对241Am废水的去污因子高达4.7´104,为放射性废水处理提供了一种新的方法。

研究了某种包土气带土壤中吸附行为,探讨了极低放废物在该包气带土壤中填埋的可行性。用静态法测量了该土壤对90Sr137Cs的吸附平衡时间,研究了土壤粒度、土壤特性和水相pH值对吸附分配系数的影响,测定了吸附等温线及吸附分配系数。结果表明,该包气带土壤对极低放废物中90Sr137Cs的迁移起到较好的阻滞作用。

我院开展的核退役工程实施过程中取得了相关技术积累和管理经验。

(彭述明)

 

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