钯金在氢同位素工艺中的应用
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钯金在氢同位素工艺中的应用

时间:2019-10-28 作者:shining 分享到:

钯金Pd被广泛应用于氢同位素处理工艺中,因为钯氢体系的同位素效应最强。钯及其合金对氢同位素具有明显的同位素效应,分离因子大于其他金属或合金,因此,在聚变燃料循环和氘处理工艺中,常被用作氢同位素分离和纯化的首选材料。

钯金Pd是面心立方结构的吸氢金属,氢原子在钯晶格中占据八面体间隙。钯的氢化过程如下:氢分子首先被钯表面吸附,随即离解成原子,原子氢溶入钯金属内部,形成所谓的固溶体,当溶入的氢不断增加时,会出现相变,形成氢化物相,氢同位素在钯中的溶解行为均表现为吸附-解离-溶解,但由于在气相与钯晶格中的零点能和振动能不同,它们在钯中的溶解度表现出明显的同位素效应,即使在室温下,钯也表现出明显的同位素效应。在给定的氢压力下,同位素越轻,溶解度越大。钯金的氢同位素分离因子与温度关系比较大,钯Pd具有正同位素效应,钯氢体系的同位素效应随温度而改变,温度越高,同位素效应越小,温度越低,同位素效应越大。

纯钯经活化及重复吸氢/解吸循环后会粉化细小粉末,引起分离柱阻塞和过滤片堵塞,因此,必须采用一些基质材料来支撑钯氢化物,使钯弥散在较大的颗粒中,或制成钯的合金。钯涂覆在硅藻土、氧化铝、多孔陶瓷等上,就不会出现粉化,而钯Pd的吸氢特性也不会改变。在氢同位素分离工艺中,钯常以下面几种形式存在:涂钯硅藻土,涂钯氧化铝和钯碳合金等。

涂钯硅藻土也可以用于氢同位素的纯化,涂钯硅藻土纯化的氢同位素纯度大于99.99%。利用钯金属易溶解氢的特点,薄壁钯管被用作氢同位素的纯化器,气体混合物通过钯膜可生产出高纯氢。半导体工业中用厚的钯膜对氢进行特殊纯化后达到的纯度6N-7N(摩尔)级。为了增加氢的渗透量,研制了各种薄的钯膜,纯化后氢同位素的纯度达到2N-3N级。尽管纯钯是一种较好的氢同位素纯化薄膜材料,但在吸/放氢循环时,钯氢化物反复发生相间的相变,相变过程伴随有钯晶格的膨胀和收缩并产生应力,易导致薄膜变形、硬化和开裂等,所以,不宜直接使用。