一种多功能除氚催化剂的制备方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于除氚催化剂技术领域，特别涉及一种多功能除氚催化剂的制备方法及 应用。
【背景技术】
[0002] 氚属于氢同位素中的一种，是一种战略物质，不仅价格昂贵，而且不容易获得。同 时，氚也是一种迀移性很强的放射性核素，它的泄漏不仅会对环境造成污染，而且对人体也 有很大的危害。所以，凡是涉及到氚操作的工艺必须执行严格的辐射防护和环境排放要求。 按照目前的安全理念，氚设施应当建立三重包容系统，同时采用物理屏蔽和除氚净化相结 合的方式解决氚包容有效性的问题。对含氚气氛进行净化，是建立安全生产的必要手段，氚 的回收也可以提高氚的利用效率。
[0003] 涉氚装置中涉及的除氚主要分为两种情况:空气气氛除氚和惰性气氛除氚。
[0004] 空气除氚常采用催化氧化吸附的除氚工艺，其中催化剂性能是实现高效除氚的关 键因素。目前空气除氚催化剂主要为颗粒型，由直径3~4mm的活性氧化铝小球作为载体， Pt、Pd等作为活性组分。空气除氚最主要的特点是气体量大，而颗粒状催化剂热容量大且采 用密堆积装填方式，导致除氚系统气阻太大、气体处理能力难以提高。同时，颗粒状载体易 于磨损粉化，长期使用下造成除氚系统的堵塞，进一步增大气阻。
[0005] 惰性气氛除氚由于氧的缺乏不能采用催化氧化的方法，现常用两种方法除氚：金 属吸气剂和氧化剂(氧化铜或霍加拉特氧化剂）。金属吸气剂易毒化，且随着吸氚量的增加 吸氚效率会逐渐降低;氧化剂除氚需要相对较高的反应温度(300°C~500°C)而且是一种纯 消耗型的材料。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种可同时用于空气气氛和惰性气氛除氚催化剂的制备 方法，主要解决现有除氚催化剂功能单一而造成除氚系统复杂的问题。本发明通过以下技 术方案来实现：
[0007] 一种多功能除氚催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008] 1)、将Ce(N〇3)3 · 6H2〇和Zr0(N03)2 · H2〇溶于去离子水中，配成前驱体金属盐溶液； [0009] 2)、将柠檬酸溶于去离子水中配成溶液，将前驱体金属盐溶液置于35~45°C的水 浴中加热并持续搅拌1~3h，同时将柠檬酸溶液缓慢滴加到金属盐溶液中；
[0010] 3)、将加热后的混合液在70~85°C的水浴中蒸发成湿凝胶，然后经干燥成干凝胶， 最后经焙烧后制成催化剂载体Ce02-Zr02粉末；
[0011] 4)、将Ce〇2_Zr〇2粉末浸入H2PtCl6 · 6H2〇溶液中，置于35~45°C水浴中搅拌25~ 35min，升高温度至70~85°C缓慢蒸干溶剂，然后经干燥、焙烧后制成Pt/Ce02-Zr02催化剂粉 末；
[0012] 5)、将作为催化剂基体的蜂窝陶瓷在稀硝酸溶液中浸泡20~24h，然后取出清洗、 烘干；
[0013] 6)、将Pt/Ce02-Zr02催化剂粉末加水并研磨10~14h制成浆液；
[0014] 7)、将烘干后的催化剂基体浸入浆液中，超声振荡下对基体进行涂覆、烘干、焙烧；
[0015] 8)、重复步骤7)，直至催化剂基体增重10~20%，即得本发明多功能除氚催化剂。
[0016] 作为本发明的一种优选，步骤1)中，所述Ce(N〇3)3 · 6H20和ZrO(N〇3)2 · H20的摩尔 比为7:3，所述前驱体金属盐溶液中总金属离子浓度为0.1111〇1/1。
[0017] 作为本发明的一种优选，所述梓檬酸与金属盐溶液中金属离子的摩尔比为2~5: 1〇
[0018] 作为本发明的一种优选，步骤3)中，所述干燥温度为110~130°C，时间为1~3h;所 述焙烧温度为480~520°C，时间为1~3h。
[0019] 作为本发明的一种优选，步骤4)中，按Pt负载量为1%将Ce02-Zr02粉末浸入 H2PtCl6 · 6H20溶液。
[0020] 作为本发明的一种优选，步骤4)中，所述干燥温度为110~130°C，时间为1~3h;所 述焙烧温度为480~520°C，时间为1~3h。
[0021] 作为本发明的一种优选，步骤5)中，所述稀硝酸溶液的浓度为5%~10%，所述烘 干温度为110~130°C，时间为1~3h。
[0022] 作为本发明的一种优选，步骤7)中，所述烘干温度为110~130°C，时间为1~3h;所 述焙烧温度为480~520°C，时间为1~3h。
[0023] 作为本发明的一种优选，所述多功能除氚催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0024] 1)、将Ce(N03)3 · 6H20和Zr0(N03)2 · H20按摩尔比为7:3溶于去离子水中，配成总金 属离子浓度为〇. lmol/L的前驱体金属盐溶液；
[0025] 2)、将柠檬酸溶于去离子水中配成溶液，将前驱体金属盐溶液置于40°C的水浴中 加热并持续搅拌2h，同时将柠檬酸溶液缓慢滴加到金属盐溶液中（其中，柠檬酸与金属离子 的摩尔比为3:1);
[0026] 3)、将加热后的混合液在80°C的水浴中蒸发成湿凝胶，将湿凝胶置于120°C的烘箱 中干燥成干凝胶，最后将干凝胶置于500°C的马弗炉中焙烧制成催化剂载体Ce02-Zr02粉末； [0027] 4)、按Pt负载量为1%将Ce02-Zr02粉末浸入H2PtCl 6 · 6H20溶液，置于40°C水浴中搅 拌30min后升高温度至80°C缓慢蒸干溶剂，然后在120°C干燥后置于500°C的马弗炉中焙烧 制成Pt/Ce02-Zr02催化剂；
[0028] 5)、将作为催化剂基体的堇青石蜂窝陶瓷在8%的稀硝酸溶液中浸泡22h，然后取 出清洗、烘干；
[0029] 6)、将Pt/Ce02-Zr02催化剂粉末加水放入高能球磨机中球磨12h制成浆液；
[0030] 7)、将烘干后的催化剂基体浸入浆液中，超声振荡下对基体进行涂覆、烘干、焙烧；
[0031] 8)、重复步骤7)，直至催化剂基体增重12%，即得本发明多功能除氚催化剂。
[0032] -种利用本发明方法制备的催化剂，所述催化剂可用于空气气氛除氚和惰性气氛 除氚。按照本发明所述方法制备的催化剂可用于两种不同气氛下氚的去除:①空气气氛下， 常温下即可实现氚的氧化，反应前气体不需要预热，反应后不需要冷却，适合除氚系统的长 期运行;②在贫氧或惰性气氛下通过载体释放氧，同样可以实现氚的氧化，且使用温度在 200°C左右，远低于现有氧化铜等氧化剂除氚的使用温度。
[0033]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0034] 1、本发明工艺方法合理，操作便捷，制备方便。
[0035] 2、本发明采用溶胶一凝胶法制备的Ce02-Zr02粉末晶相均一，比表面积较大，涂覆 后能大大改善催化剂基体的比表面积和微结构，利于活性组分的分散，增加含氚气体和催 化剂的接触面积，提高催化剂的活性。
[0036] 3、本发明采用蜂窝状陶瓷作为催化剂基体，具有规整的孔道，有利于流体通过，降 低了催化床两端的压力降，提高系统的气体处理能力；能够承受大气流(通常为数百m3/h以 上)的长期冲击，可以有效延长除氚系统催化剂的使用寿命，且不会出现磨损粉化的现象。 [0037] 4、本发明工艺方法制备的催化剂的活性组分PU^H 2(T2)的氧化具有很高的催化活 性，常温下即可实现空气气氛下微量氚的催化氧化，无需预热，反应后不需要冷却，因此，本 发明应用到空气除氚系统中可以大幅简化其流程设计，优化其整体性能。
[0038] 5、本发明工艺方法制备的催化剂采用Ce02-Zr02作为载体，具有较大的储氧量和较 低的氧释放温度，能够用于贫氧及惰性气氛除氚，该催化剂的使用将催化氧化+吸附的除氚 方式引入惰性气氛除氚，大大简化了现有的惰性气氛除氚系统。
[0039] 6、本发明工艺方法制备的催化剂同时适用于大空速条件下的空气除氚和惰性气 氛除氚，依托该催化剂设计的除氚系统可以替代空气除氚系统和惰性气氛除氚系统，大大 简化涉氚装置的除氚系统的设计。
【具体实施方式】
[0040] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0041 ] 实施例1:
[0042]本实施例制备的是粉末状的Pt/Ce02-Zr02催化剂，其具体制备过程如下：
[0043] 1)、将Ce(N03)3 · 6H20和Zr0(N03)2.H20按摩尔比为7:3溶于300ml的去离子水中，配 置成总金属离子浓度为〇.lmol/L的前驱体金属盐溶液；
[0044] 2)、称取柠檬酸溶于100ml去离子水中配成溶液，将前驱体金属盐溶液置于40°C水 浴中加热并持续搅拌2h，同时将柠檬酸溶液缓慢滴加到金属盐溶液中（其中，柠檬酸与金属 离子的摩尔比为3:1);
[0045] 3)、将加热后的混合液在80°C的水浴中蒸发溶剂形成稳定的湿凝胶，将湿凝胶放 置于烘箱中在120°C下干燥1.5h得到干凝胶，最后将干凝胶置于马弗炉中在500°C下焙烧2h 制成催化剂载体Ce02-Zr02粉末；
[0046] 4)、按Pt负载量为1%将Ce02-Zr02粉末浸入H 2PtCl6 · 6H20溶液，置于40°C水浴中搅 拌30min后升高温度至80°C缓慢蒸干溶剂，然后在120°C下干燥2h后置于马弗炉中在500°C 焙烧3h制成Pt/Ce02-Zr02催化剂。
[0047]为了验证本实施例制备方法制备的催化剂具有很好的除氚效果，以Pt/Al203催化 剂为对比例，测试在不同温度下本实施例催化剂和Pt/Al2〇3催化剂在贫氧(惰性)气氛下对 氢的催化氧化效果。由于氚具有放射性，且氚的催化氧化效果不好模拟，氢为氚的同位素， 在催化氧化过程中其同位素效应很小，与氚具有同等的被催化氧化性，即催化剂对氢的去 除效果能很好地反应催化剂对氚的去除效果，所以本实施例采用催化剂对氢的催化氧化效 果来