一种置换色谱氢同位素富集分离方法技术

本发明专利技术公开了一种置换色谱氢同位素富集分离的方法，包括以下步骤：（1）降温：将分子筛柱制作成螺旋状盘管，在一容器中盛装液氮，分子筛柱全部浸入到液氮中，让分子筛温度保持在液氮温度；（2）吸附：向分子筛柱中通入氢气，计量通入分子筛的氢气量，当分子筛内的气压达到一定的压力以后，停止通入氢气；（3）升温分离：将螺旋状的分子筛柱向上提拉，使分子筛柱脱离液氮液面，利用空气对分子筛柱进行加热；控制分子筛柱提出液氮液面的速度为0.5‑5cm/min；（4）检测和收集：对于分子筛柱排出的氢气，在后端使用氢氧复合器将氢气氧化为液态水，然后使用磁质谱检测其中的氘丰度。本发明专利技术的置换色谱氚富集分离方法，控制的降温与升温过程中的变化具有连续性，分离氢同位素的效率极高，分离效果好。

Hydrogen isotope enrichment separation method for displacement chromatography

The invention discloses a method for preconcentration and separation of hydrogen isotope displacement chromatography, which comprises the following steps: (1) temperature: the molecular sieve column into a spiral coil in a container filled with liquid nitrogen, molecular sieve column completely immersed into liquid nitrogen for molecular sieve, keep the temperature at the temperature of liquid nitrogen adsorption; (2): the molecular sieve column introducing hydrogen, the amount of hydrogen measurement into molecular sieve, when the pressure within the molecular sieve to achieve certain pressure, stop by hydrogen; (3) heating separation: molecular sieve column spiral upwardly, the molecular sieve column from liquid nitrogen for molecular sieve column. Heating by air control; molecular sieve column of liquid nitrogen at a rate of 0.5 5cm/min; (4) detection and collection: molecular sieve column for discharge of hydrogen in hydrogen oxygen recombination device will use the back-end for hydrogen oxidation of liquid water, The deuterium abundance is then detected using magnetic mass spectrometry. The displacement chromatography tritium enrichment separation method of the invention has the characteristics of continuous change in the process of controlling cooling and heating up, high efficiency of separating hydrogen isotopes and good separation effect.

【技术实现步骤摘要】
一种置换色谱氢同位素富集分离方法
本专利技术属于分离纯化工艺领域，涉及一种同位素分离方法，特别涉及一种氢同位素分离方法。
技术介绍
超导托卡马克的核聚变反应堆被认为是最具实际应用潜力的核聚变反应堆，可以实现极低的辐射污染的绿色核能技术，全世界的各个国家都投入了大量的人力物力进行应用研究。作为核聚变反应堆燃料的氢同位素——氘和氚在研究应用中的需求量极大，而且一旦热核聚变反应堆正式投入生产应用，现有的氘和氚的产量将会成为限制热核反应堆应用的关键因素。氢同位素氘和氚一般都是均匀的分散在天然含氢原材料中，普通的氢气中也含有微量的氚。而普通的氢气以其特有的高纯度特点，可以直接分离得到聚变反应所需要的氘和氚，已有部分研究表明通过液闪分离方法可以获得较高纯度的氘和氚，但是具体的分离方法还没有确切的可工业化实行的方案。富集分离技术中又以低温精馏氢同位素分离方法的效率最高，不仅具有处理量大、设备紧凑分离因子较大的优点，而且分离过程中产生的成本较低，应用潜力大。现有的富集分离技术中，主要是包括应用反应器、电磁加热器等部件，反应过程中的需要对分离部件进行加热与再生，其中应用的加热部分与反应器之间的配合关系主要是全面直接加热。直接加热过程中对于系统的升温速度较快，但加热的时候是全面的全部件加热，导致分离时对于系统的氢同位素的分离速率缺少连续性可控效果。分离过程中，对于各项分离状态参数的调整精度较低，仅仅从大的理论上分析了低温精馏分离过程中的分离效果，没有对于低温精馏分离的时候的全面精确研究，对于以后的实际推广应用中的效率提升研究帮助有限，或者说，无法更好的发挥低温精馏分离氢同位素的分离效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中缺少可行的高效氢同位素分离技术，提供一种置换色谱氢同位素富集分离方法。本专利技术的方法可以高效快速的从天然纯氢气中分离得到氢的同位素——氘和氚，具有实施简单方便高效的特点，能够有效地改善氘氚分离富集困难的问题，为热核聚变反应堆提供充足的反应燃料。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种置换色谱氢同位素富集分离的方法，包括以下步骤：(1)降温：将分子筛柱制作成螺旋状盘管，在一容器中盛装液氮，分子筛柱全部浸入到液氮中，让分子筛温度保持在液氮温度；(2)吸附：向分子筛柱中通入氢气，计量通入分子筛的氢气量，当分子筛内的气压达到一定的压力以后，停止通入氢气。其中，气压优选控制为一个大气压，对于设备的要求更低，更易实施，且分离效果较好。所述氢气含有天然丰度的氘/氚。(3)升温分离：将螺旋状的分子筛柱向上提拉，使分子筛柱脱离液氮液面，利用空气对分子筛柱进行加热。最好是缓慢的提拉分子筛柱，使分子筛柱的温度缓慢升高。在提拉的过程中，螺旋状的分子筛柱借助空气加热实现热分离，特别是可以实现分段加热，使得分子筛柱的温度分段逐渐升高。控制分子筛柱提出液氮液面的速度为0.5-5cm/min，优选提拉速度为1-2.5cm/min，缓慢的完成分子筛柱的加热过程。(4)检测和收集：对于分子筛柱排出的氢气，在后端使用氢氧复合器将氢气氧化为液态水，然后使用磁质谱检测其中的氘丰度。检测氢气通过不同数量的分离柱(分子筛柱)之后的氘的浓度，以此来确定每一级柱子对氢氘分离的效率。在明确分离柱长度，填料等因素对于分离比例的影响后就可以对分离柱进行优化设计，保证在进行氘富集时得到所需要浓度的产品。本专利技术的置换色谱氘/氚富集分离方法，将分子筛柱设置成了螺旋状盘管结构，外形类似于弹簧，先利用了低温液氮降温控制分子筛柱的温度在极低的水平，然后通过提拉的方式使得分子筛柱缓慢离开液氮液面，利用空气加热完成对于分子筛柱的加热分离，通过改变分子筛柱子的温度变化，实现对于氢气中的同位素的分离作用。其中通入的氢气是含有天然丰度的氘、氚的氢气，也可以是经过一定的富集处理的氘和/或氚的丰度大于一般的天然氢气的人工气体(人工预处理氢气)，或者核反应堆副产物的含氘、含氚氢气。因为，分离的过程中分子筛的温度通过液氮以及空气控制，控制的外部条件较为简单，同时控制的降温与升温过程中的变化具有连续性，可以实现温度连续变化保证了分离的效率，使得分离的效果更佳。其中，所述分子筛柱是填充有分子筛的管状柱子。分子筛柱管子的截面形状可以是圆形、椭圆形、矩形等形状，最好是圆形，填充分子筛的量最大，且结构最为稳定。进一步，步骤(1)中，所述分子筛柱是将分子筛填充于不锈钢管中制备而成的。将分子筛粘接压制成型后封装在柱状、长条状的螺旋管道中，构成的连续的分子筛柱是实现氢同位素分离的关键因素，控制分子筛柱具有连续的长管道可以实现连续多级分离塔结构完成对于极低浓度氘的富集分离，并且可以实现高浓度的氘的进一步纯化富集。优选的可以使用螺旋管进行灌装分子筛经过粘接形成的分子筛物料，混合填充密度更佳，更能够充分的吸附天然氢气，完成对于氘和/或氚的分离富集。进一步，步骤(1)中，所述的分子筛柱填充的分子筛是A、X或Y型分子筛中的一种或几种的混合物。优选的，所述分子筛是A和/或X型的分子筛，更适用于气体干燥、分离、纯化工作。分子筛是人工合成泡沸石，硅酸盐的晶体，成白色粉末，粒度为0.5微米到10微米，分子筛经过加热失去结晶水后在晶体内形成许多孔隙，其孔径的大小与分子直径相近，且非常均匀。分子筛是各类吸附剂中，孔径分布最集中的一类吸附剂。它能把小于孔径的分子吸进孔隙内，把大于孔径的分子挡在孔外，因此具有很强的选择吸附性能。由于氢同位素的原子质量不同，其在分子筛中的吸附作用存在微小的差别，利用大量连续的分子筛柱对天然氢气进行连续多次的分离处理，将这种微小的差别放大，可以使得分子筛柱中的氢同位素快速的分离开来。进一步，在步骤(2)中，所述氢气是天然的氢气，其中含有天然丰度的氘/氚，如果使用富含氘/氚的氢气作为原料也可以实现富集的目的，而且富集得到的富氘氢气中的氘的含量比例更高。一般天然的氢气中含有150ppm的氘，经过富集处理可以得到较高纯度的富氘氢气，甚至纯氘。吸附技术广泛应用在聚变反应堆氘、氚和燃料循环，例如环形室等离子排出气体的泵送，等离子排出气体中的氚净化、含氚杂质的去氚化处理、气象色谱氢同位素分离和在先分析以及高纯气体的提取等。吸附剂的低温吸附等温线是很重要的设计参数，用吸附等温线可以很方便的估算出吸附床的吸附容量，吸附平衡压力等。进一步，优选的，步骤(2)中，通入氢气的过程中，先向定容容器中通入氢气，然后再从定容容器将氢气通入到分子筛柱中，以实现精确定量通入氢气的目的。优选的，采用分步通气的方法，向分子筛中通入氢气，控制气压不要太高，避免氢气穿透容器。因为通入定容容器中，实现了中介式的氢气注入，可以分成多次通过定容容器注入氢气，氢气的通入过程中控制定容容器的气体波动较小，防止氢气被压缩，使得注入分子筛柱的氢气的总量计算更加精确，也避免了高压氢气渗透的问题。具体的操作流程如下：为了准确计量通入分子筛的氢气量，在前端设置一个定容容器。先将氢气通入定容容器，记录下此时的压力值，然后再通过定容容器向分子筛中通入氢气。为了保证能够正常通入氢气且外部氢气压力不要太高，采用分步通气的方法。保证定容容器中的压力始终高于一个大气压，当压力下降时，往定容容器充气。记录下每次补充气前后和向分子筛通气的压力差值。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种置换色谱氢同位素富集分离的方法，包括以下步骤：（1）降温：将分子筛柱制作成螺旋状盘管，在一容器中盛装液氮，分子筛柱全部浸入到液氮中，让分子筛温度保持在液氮温度；（2）吸附：向分子筛柱中通入氢气，计量通入分子筛的氢气量，当分子筛内的气压达到一定的压力以后，停止通入氢气；（3）升温分离：将螺旋状的分子筛柱向上提拉，使分子筛柱脱离液氮液面，利用空气对分子筛柱进行加热；控制分子筛柱提出液氮液面的速度为0.5‑5cm/min；（4）检测和收集：对于分子筛柱排出的氢气，在后端使用氢氧复合器将氢气氧化为液态水，然后使用磁质谱检测其中的氘丰度。

【技术特征摘要】
1.一种置换色谱氢同位素富集分离的方法，包括以下步骤：（1）降温：将分子筛柱制作成螺旋状盘管，在一容器中盛装液氮，分子筛柱全部浸入到液氮中，让分子筛温度保持在液氮温度；（2）吸附：向分子筛柱中通入氢气，计量通入分子筛的氢气量，当分子筛内的气压达到一定的压力以后，停止通入氢气；（3）升温分离：将螺旋状的分子筛柱向上提拉，使分子筛柱脱离液氮液面，利用空气对分子筛柱进行加热；控制分子筛柱提出液氮液面的速度为0.5-5cm/min；（4）检测和收集：对于分子筛柱排出的氢气，在后端使用氢氧复合器将氢气氧化为液态水，然后使用磁质谱检测其中的氘丰度。2.如权利要求1所述置换色谱氚富集分离的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述分子筛柱是将分子筛填料填充于不锈钢管中制备而成的。3.如权利要求1所述置换色谱氚富集分离的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的分子筛柱填充的分子筛是A、X或Y型分子筛中的一种或几种的混合物。4.如权利要求3所述置换...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨莞，罗德礼，宋江锋，邓立，胡俊，冯兴文，黄国强，殷雪峰，丁海成，徐远翔，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51