[發(fā)明專利]一種能分離和分析氫同位素的氣相色譜填料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610299049.0
• 申請(qǐng)日: 2016-05-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107344096A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張立娟;謝輝;朱宏偉;周云山
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J20/281
• 分類號(hào): B01J20/281;B01J20/30;B01D59/00
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11203
• 代理人: 張慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)氫同位素H₂/D₂有良好分離/分析效能的負(fù)載型色譜填料及其制備方法。

背景技術(shù)

氘(D₂)在熱核聚變反應(yīng)、中子散射技術(shù)以及同位素追蹤等方面具有不可替代的應(yīng)用，因此D₂的獲得具有重要意義。然而在自然界中D₂的豐度很低，人們獲得D₂的主要手段是從H₂/D₂混合物中將D₂分離出來(lái)。目前H₂/D₂分離的方法主要有低溫蒸餾、化學(xué)交換以及熱擴(kuò)散等。但是這些方法存在的問(wèn)題是耗能大、成本高，因此人們開(kāi)發(fā)了新的分離方法：氣相色譜法分離氫同位素。氣相色譜法分離氫同位素的關(guān)鍵在于其固定相材料的選擇。已報(bào)道的氣相色譜法分離氫同位素的固定相材料主要有貴金屬Pd/Pt、氧化鋁、分子篩以及玻璃微球等，然而這些固定相材料對(duì)氫同位素分離都存在一些缺點(diǎn)，如氧化鋁在分離H₂/D₂時(shí)，H₂會(huì)發(fā)生正仲氫的裂分，出現(xiàn)p-H₂(仲氫)和o-H₂(正氫)兩個(gè)峰，不利于氫同位素的準(zhǔn)確定量；而對(duì)于分子篩填充柱，分離溫度不易監(jiān)控和控制，對(duì)分離系統(tǒng)的控制不利；玻璃微球填充的色譜柱，需要使用5m以上的長(zhǎng)柱子才能達(dá)到較好的分離效果，不利于色譜柱的填充，需要大量的色譜填料，同時(shí)延長(zhǎng)了H₂/D₂的分離時(shí)間，降低H₂/D₂的分離效率。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種分離溫度易于控制，使用較短的色譜柱并可使用廉價(jià)的He作為載氣的色譜柱填料來(lái)分離H₂/D₂。

研究發(fā)現(xiàn)，新型微孔材料金屬-有機(jī)骨架化合物，在液氮溫度下對(duì)H₂/D₂的量子篩分作用，使氫同位素H₂/D₂具有更好的分離選擇性。已有文獻(xiàn)報(bào)道金屬-有機(jī)骨架化合物CPL-1在77K下一定壓力范圍內(nèi)對(duì)H₂/D₂的分離選擇性因子高 達(dá)3.0；而金屬-有機(jī)骨架化合物MOF-74-Ni因結(jié)構(gòu)中存在金屬的不飽和配位點(diǎn)，在77K下對(duì)H₂/D₂的分離選擇性因子更是高達(dá)5.0。上述研究結(jié)果表明這些金屬-有機(jī)骨架化合物在液氮溫度下對(duì)H₂/D₂的分離選擇性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)吸附分離材料，如活性炭、分子篩等。因此金屬-有機(jī)骨架化合物材料作為氣相色譜填料用于分離氫同位素H₂/D₂具有潛在的性能。然而，金屬-有機(jī)骨架化合物材料作為色譜固定相時(shí)存在機(jī)械強(qiáng)度差、顆粒尺寸大小難以控制等缺陷。固定相機(jī)械強(qiáng)度小會(huì)引起色譜柱的流失或造成色譜柱的堵塞，而固定相顆粒尺寸不均一將導(dǎo)致柱效降低從而影響分離效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為解決氫同位素分離存在的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，提供一種制備方法簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性高、機(jī)械性能好、可重復(fù)使用的基于金屬-有機(jī)骨架化合物的負(fù)載型氣相色譜填料及其制備方法，實(shí)現(xiàn)氣相色譜條件下氫同位素的高效色譜分離和分析。

一種對(duì)氫同位素H₂/D₂具有良好分離/分析效能的負(fù)載型氣相色譜填料，其特征在于，該氣相色譜填料由金屬-有機(jī)骨架化合物和氧化鋁載體組成，以氧化鋁為載體，在其表面負(fù)載金屬-有機(jī)骨架化合物。

上述對(duì)氫同位素H₂/D₂具有良好分離/分析效能的負(fù)載型氣相色譜填料的制備方法，以氧化鋁為載體，通過(guò)在其表面負(fù)載金屬-有機(jī)骨架化合物，然后再在金屬鹽MX_n溶液中浸漬制得，包括以下幾種制備方法：

方法一

(1)將預(yù)活化處理的γ-Al₂O₃加入到含過(guò)渡金屬離子無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)配體的混合的去離子水溶液中，浸漬0.1～20h；其中γ-Al₂O₃：有機(jī)配體：過(guò)渡金屬離子無(wú)機(jī)鹽：溶液中去離子水的用量關(guān)系為0.1～20.0g：0.1～50mmol：0.1～50mmol： 5～100mL；