載鈀硅藻土恒流吸氫特性

于廣琛 王曉冬

（東北大學，遼寧 沈陽 110000）

氫能源在國防和工業領域起著舉足輕重的作用。在氫同位素分離技術中，鈀是運用最多的分離材料[1]。鈀優先吸附較輕的氫同位素而不是較重的氫同位素，該效應在低溫下比在高溫下更明顯。且其不易被環境氣體鈍化，抗中毒能力強，利用氫氣很容易在較低的溫度下使其活化，具有很好的吸放氫動力學特性，因此將鈀作為氫同位素分離的首選材料。在分離工藝中，因為要求在低溫條件下的一定時間內以一定流量進氣，所以鈀-氫體系的恒流動力學性質對美國新型TCAP工藝起著決定性的作用。對于Pd-H體系來說，國內外已有的相關研究主要集中在鈀的熱力學、鈀納米顆粒的制備和改性以及輻照對鈀吸放氫性能的影響等方面[2]。對于鈀吸氫動力學特性的研究較少，而對于將Pd附著在硅藻土上進行恒流吸氫動力學的研究尚未見文獻報道。該文旨在探究將載鈀硅藻土（Pd/K）作為TCAP分離柱材料，對在TCAP工藝溫度下進行恒流吸氫的動力學進行研究，為TCAP工藝及載鈀硅藻土-氫體系的工程提供理論和一定的支撐數據。

1 實驗部分

1.1 實驗系統

為滿足實驗要求，自制一套Pa量級的高精度測量的真空系統（如圖1所示），載鈀硅藻土在273 K下的平衡壓很低（在1 kPa以下），測量樣品室端的真空測量裝置采用0 kPa～1 kPa的電容膜片真空計，儲氣罐端采用0 kPa～100 kPa的電容膜片真空計，精度均為0.003%。實驗用量程為1 sccm質量流量控制器。低溫設備采用低溫恒溫槽，溫度范圍為-60 ℃～100 ℃，溫度浮動±0.05 ℃。氫源由LaNi4.25Al0.75供氣床提供。為使反應器體積盡可能小，需要減少材料堆積，采用自制304不銹鋼薄壁錐型反應器。整個系統可達10-5Pa量級真空度。

圖1 恒流吸氫裝置

1.2 實驗樣品

Pd/K材料由北京有色金屬研究總院提供，合成的Pd/K材料依然保持原硅藻土顆粒不規則的球形形貌。化學成分為Pd、SiO2，其中Pd質量分數為56%；顆粒形貌為50目～60目；Pd/K經過1200 ℃ 熱處理1 h；為避免鈀吸氫放熱對實驗結果造成影響，樣品裝量約1 g。

實驗前需要對樣品進行活化處理，將Pd/K樣品裝入反應器，300 ℃抽真空除氣2 h，降至室溫飽和吸氫；再次加熱至200 ℃放氫，充分放氫后，降至室溫繼續吸氫；重復吸、放氫3～5次，活化完畢。

1.3 實驗方法

實驗方法如下：1） 將流量計調至全開，系統抽真空至1.0×10-4Pa。2） 停止抽真空，關閉流量計及其前后的閥門，將反應器放入低溫恒溫槽，待反應器冷卻。3） 打開儲氣罐開關引入氫氣，再調節流量控制器向反應器通入氫氣，通過計算機自動采集實時壓力數據。

1.4 恒流法動力學方程模擬

根據得到的恒流等溫吸放氫動力學曲線，采用Chou模型、JMAK模型或Jander模型對吸放氫動力學進行擬合嘗試。由于α相區吸氫量過少，β相壓力高（超過真空計量程），因此只對α+β相區進行擬合，并考慮壓力的變化情況。

2 實驗結果與討論

2.1 恒流吸氫PCT曲線

273 K以下Pd/K吸氫坪臺壓低于1 kPa，流量計下游體積約12 mL，因此實驗中認為進氣量即吸氫量，據此繪制恒流吸氫PCT曲線。實驗對Pd/K材料在233 K、243 K、253 K以及263 K條件下進行流量為0.3 sccm/g、0.5 sccm/g、0.7 sccm/g、1.0 sccm/g以及1.5 sccm/g的小流量恒流量測試。

以233 K為例，如圖2所示，當溫度恒定時，Pd/K吸氫速率增加而坪臺區的斜率基本保持不變。坪臺壓力隨流量增大逐漸升高。當進氣速率增大時，吸氫速率增大，這就要求外界有更高的壓力作為驅動力促使Pd/K吸收氫氣，因此宏觀表現為壓力升高。

圖2 流量對動態平衡壓的影響

以0.5 sccmg-1為例，由圖3可知，隨著溫度增加，坪臺區斜率也逐漸增加。這是由于Pd/K吸氫為可逆反應，進氣速率（吸氫速率）由質量流量控制器控制并保持恒定，而逆反應受溫度及壓強的控制，坪臺區壓強較低，當溫度增加時氣體釋放速率也隨之增加，此時凈吸氫速率小于進氣速率，壓力逐漸上升。因為溫度恒定，壓強又較低，即使不同流量條件下逆反應速率也基本一致；所以不同進氣流量下Pd/K坪臺區壓力曲線的斜率基本一致。由α+β相向β相轉變的區域逐漸變大。隨著溫度增加，由α+β相向β相的轉變區域由尖銳變得越來越圓滑。隨著溫度的增加，坪臺區壓力逐漸增大，這表明，隨著溫度和氣相壓力的增加或者是由于內應力的作用，金屬內部仍處于固溶體的氫原子的化學勢增大，使由固溶體相向氫化物相的轉變變得更加困難，在曲線上表現為相對于溫度低時，溫度高時的過渡區域的出現更加提前，壓力也提前上升，這就使過渡區曲線變得更為圓滑。

圖3 溫度對動態平衡壓的影響

2.2 動力學曲線

2.2.1 平衡壓方程

該文采取多項式擬合結合Van`t Hoff方程對Pd/K的吸氫平衡壓進行預報。該方法的通用方程如公式（1）所示。

式中：Rg為氣體狀態常數，Tref為進行平衡壓多項式擬合時采用的參考溫度；f（H/M）為參考溫度下PCT曲線的多項式擬合方程，代表參考溫度下平衡壓與H/M的關系；Peq為平衡壓，代表在PCT曲線內某一氫金屬比下吸氫或放氫達到平衡時的壓力。

平衡壓方程由參考溫度下的PCT曲線在Origin內進行11階多項式擬合得到，如公式（2）所示。

式中：aiH/M i為11階多項式擬合項；Peq，ref為參考溫度下的平衡壓。

對于Pd/K的熱力學性質，根據吸氫PCT實驗數據，選擇263 K下的實驗點作為參考溫度下的Peq-H/M關系f（H/M），對該溫度下的實驗點進行多項式擬合。其中f（H/M）的單位為Pa。已知其吸氫焓變值ΔH為-33.71 kJ·mol-1H2。擬合平衡壓方程曲線如圖4所示。

圖4 平衡壓方程曲線

2.2 動力學曲線分析及預測

在233 K～263 K對0.3 sccm/g～1.5 sccm/g流量范圍內選取動力學方程進行擬合[3]。發現與（t為時間）均呈線性關系，這表示表面滲透在該階段為限制反應速率的控速步驟。

根據擬合得到的速率常數Kf，建立Kf與流量F的關系，在253 K條件下，在0.3 sccm/g～1.5 sccm/g流量范圍內，Kf與流量F呈線性關系。以253 K為例下Kf與F的關系如公式（3）所示。

Kf不僅受流量F的影響，同時也受溫度T的影響。Kf隨溫度增大而明顯增大。因此，Kf的關系如公式（4）所示。

式中：A為常數；Tref為參考溫度；f（F）為Kf與F的函數。

分別在0.3 sccm/g、0.5 sccm/g、0.7 sccm/g、1 sccm/g以及1.5 sccm/g對lnKf與1/T進行線性擬合。擬合得斜率分別為-2034.8、-2132.0、-2203.0、-2169.0、-2062.0，其平均值為-2120.0。根據阿倫尼烏茲方程，斜率乘以Rg即為Pd/K坪臺區表觀的活化能Ea=-17.63 kJ·mol-1。綜上得到系數Kf與流量F，溫度T的關系式，如公式（5）所示。

預測在0.3 sccm/g～1.0 sccm/g時，各個溫度準確性都較高，預測曲線最大偏差在40 Pa以內。氫金屬比為0.025～0.050的預測曲線出現向下波動的情況，這與擬合多項式方程有關。根據預測得到的Kf值，以263 K為例，預測Pd/K吸氫坪臺壓力力曲線，如圖5所示。

圖5 263 KPd/K吸氫PCT實驗及預測曲線

根據實驗及擬合結果可以判斷，Pd/K在恒流0.3 sccm/g～1 sccm/g及233 K～263 K條件下，吸氫平臺區受表面滲透控速步驟控制，在溫度和流量逐漸增加的條件下，控速步驟并未發生改變。低溫Pd/K吸氫坪臺壓力較低，氫分子在表面吸附解離放熱，并在濃度差作用下滲透進入鈀晶格內，這表明Pd/K材料的動力學性能較好，形核長大過程并未限制其反應速率。

對于Pd/K恒流吸氫實驗，質量流量控制器下游體積在20 mL以下，吸氫坪臺區壓力較低（1 kPa以內），該體積內的氫氣摩爾量可以忽略，因此進氣量即為吸氫量，氫金屬比與時間呈線性關系，如公式（6）所示。

式中：M為Pd的相對原子質量；m為Pd/K質量；ω為Pd含量；Vm為標準摩爾體積；F為流量；t為時間。

因此，在坪臺區壓力P與氫金屬比H/M與流量F及溫度T的關系如公式（7）所示。

3 結論

對恒流吸氫實驗數據分析擬合，得到以下結論：1） Pd/K在233 K～263 K、流量為0 sccmg-1～1.5 sccmg-1的條件下，吸氫控速步驟為表面滲透，并得到其坪臺區表觀活化能為-17 kJ·mol-1H2。2） 獲得了恒流條件下Pd/K吸氫壓力與氫金屬比、溫度以及流量的關系式，并進行了預測，與實驗數據接近，預測準確。3） 測得的數據及分析結果對TCAP工藝尤其是在壓力、流量的選取工作中發揮了重要作用。