ИСТИНА

Для решения задач ядерной энергетики и промышленности, связанных c разделением изотопных смесей водорода, в мире наиболее перспективной считается СЕСЕ технология, в основе которой лежит противоточный химический изотопный обмен водорода с водой. В России эта технология, основы которой в 90-х годах были разработаны в РХТУ им. Д.И. Менделеева, уже успешно используется в ПИЯФ им. Б.П. Константинова для цели кондиционирования тяжеловодных отходов. Однако для более широкого внедрения данной технологии необходимо решить ряд конкретных научных задач. К ним относятся задача разработки отечественного термостойкого гидрофобного катализатора для безопасного низкотемпературного конвертора водорода в воду, который используется в разделительных установках в качестве верхнего узла обращения потоков, а также повышение эффективности катализатора изотопного обмена водорода с водой. Для решения вышеуказанных задач предлагается синтезировать гидрофобные корочковые катализаторы ("egg shell" типа), в которых каталитически активный металл (платина или палладий) расположен исключительно в тонком приповерхностном слое гранул носителя, а внутридиффузионный массоперенос практически отсутствует. Для конверсии водорода при этом определяющую роль играет термостойкость катализатора, обеспечивающая достаточный ресурс его работы за счет повышения эффективности съема тепла реакции. Применение катализаторов "egg shell" типа при изотопном обмене водорода с водой позволит повысить скорость массопереноса в реакции изотопного обмена за счет уменьшения роли внутренней диффузии реагентов, при этом снизив содержание на носителе драгоценного металла и капитальные затраты на создание разделительных установок.

To solve the problems of nuclear energetics and industry associated with the separation of hydrogen isotope mixtures, the world's most promising technology is CECE technology based on countercurrent chemical isotope exchange (ChIE) of hydrogen with water. In Russia, this technology, the foundations of which were developed in the Mendeleev University in the 90's, already successfully used in PNPI named by B.P. Konstantinov for the heavy water wastes conditioning. However, for a wider introduction of this technology, it is necessary to solve a number of specific scientific problems. These include the task of developing a Russian heat-resistant hydrophobic catalyst for the safe low-temperature converter of hydrogen to water, which is used in separation facility as the upper flow conversion node, as well as increasing the efficiency of the hydrogen-water isotope exchange catalyst. To solve the above problems, it is proposed to synthesize hydrophobic "egg shell" type catalysts in which the catalytically active metal (platinum or palladium) is located only in a thin, near-surface layer of carrier beads, and intradiffusion mass transfer is practically absent. For hydrogen conversion, the main factor is the thermal stability of the catalyst, which provides a sufficient life of the catalyst by increasing the efficiency of removal of the reaction heat. The use of "egg shell" type catalysts in the isotope exchange of hydrogen with water will increase the rate of mass transfer in the isotopic exchange reaction by reducing the role of internal diffusion of reagents, while reducing the content of precious metal on the carrier and the capital costs of creating separation plants.

1. Синтез гидрофобного корочкового катализатора на неорганической основе для изотопного обмена и низкотемпературного окисления водорода под слоем воды. Возможность выполнения данного этапа подтверждается тем фактом, что на кафедре технологии изотопов и водородной энергетики (ТИВЭ) РХТУ им. Д.И. Менделеева есть большой опыт по синтезу платинированных гидрофобных катализаторов [«Способ приготовления платинового гидрофобного катализатора изотопного обмена водорода с водой» патент № 2307708 приоритет от 31.01.06, зарегистрирован 10.10.2007 г]. Проведенные на кафедре предварительные исследования по пропитке носителей (Al2O3) готовыми промышленными модификаторами для гидрофобизации бетона позволили получить термостойкий катализатор окисления водорода (до 400°С) [Н.А. Иванова, И.В. Рябов, М.А. Морозова. Исследование основных характеристик гидрофобного Pt-катализатора реакции низкотемпературного окисления водорода. Успехи в химии и химической технологии. Том 29. №6. 2015, с. 39-41]. Переход на более термостойкие модификаторы поверхности (метилтриметоксисилан, не менее 600°С) позволит решить проблему температурной деструкции гранул катализатора при стехиометрическом окислении водорода. В настоящее время на кафедре совершенствуются методы приготовления гидрофобных катализаторов изотопного обмена на полимерной основе (СДВБ), максимальная каталитическая активность которых приближается к 25 с-1. Предварительные испытания гидрофобных катализаторов на неорганической основе с пониженным содержанием платины (оптимизировано под окисление водорода) показали значение активности в реакции изотопного обмена на уровне 9 с-1. Увеличение концентрации платины в корочковом слое позволит повысить активность катализатора применительно к реакции изотопного обмена. Создание высокоэффективного корочкового катализатора изотопного обмена позволит значительно уменьшить высоты разделительных колонн, повысить ее пропускную способность, снизить металлоемкость и затраты на строительство зданий.

Научный задел: 1) Изготовление гидрофобных катализаторов и создание ВУОП. Ранее на кафедре технологии изотопов и водородной энергетики (ТИВЭ) РХТУ им. Д.И. Менделеева был успешно синтезирован гидрофобный катализатор на органическом носителе [«Способ приготовления платинового гидрофобного катализатора изотопного обмена водорода с водой» патент № 2307708 приоритет от 31.01.06, зарегистрирован 10.10.2007 г] и создан низкотемпературный каталитический конвертор стехиометрического окисления водорода кислородом [«Реактор взаимодействия газообразных водорода и кислорода» патент РФ №2384521 приоритет от 01.2006]. Участники группы заявителя обладают компетенциями в данной области, что подтверждается успешным выполнением контрактов по синтезу гидрофобного катализатора для Sichuan Zhonghe Trading Co.,Ltd. (КНР); 2) Исследование процесса ХИО в системе вода-водород. На кафедре технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д.И. Менделеева ведутся разработки по технологии ХИО в системе вода-водород с середины 70-х годов прошлого века. Отдельные участники группы приняли участие в разработке исходных данных и аппаратно-технологических схем при проектирования СЕСЕ установок на площадках ФГУП "ПО Маяк" и предприятия Госкорпорации "Росатом" Ленинградское отделение филиала "Северо-Западный территориальный округ" ФГУП РосРА Инструментальная база: 1) Жидкостные низкофоновые сцинтилляционные счетчики: Tri-Carb (Perkin Elmer), СЖС-04к. ; 2) Газоаналитическая станция Oldham MX48; 3) Аналитическая лаборатория. На кафедре имеется комплекс приборов для измерения концентрации дейтерия в воде и водороде методами атомной и ИК спектроскопии, денсиметрии. В университете имеется центр коллективного пользования (ЦКП), оснащенный современным аналитическим оборудованием для измерение физико-химических параметров поверхностей.