本發(fā)明屬于分離純化工藝領域，涉及一種同位素分離方法，特別涉及一種氫同位素分離方法。

背景技術：

超導托卡馬克的核聚變反應堆被認為是最具實際應用潛力的核聚變反應堆，可以實現(xiàn)極低的輻射污染的綠色核能技術，全世界的各個國家都投入了大量的人力物力進行應用研究。作為核聚變反應堆燃料的氫同位素——氘和氚在研究應用中的需求量極大，而且一旦熱核聚變反應堆正式投入生產(chǎn)應用，現(xiàn)有的氘和氚的產(chǎn)量將會成為限制熱核反應堆應用的關鍵因素。

氫同位素氘和氚一般都是均勻的分散在天然含氫原材料中，普通的氫氣中也含有微量的氚。而普通的氫氣以其特有的高純度特點，可以直接分離得到聚變反應所需要的氘和氚，已有部分研究表明通過液閃分離方法可以獲得較高純度的氘和氚，但是具體的分離方法還沒有確切的可工業(yè)化實行的方案。

富集分離技術中又以低溫精餾氫同位素分離方法的效率最高，不僅具有處理量大、設備緊湊分離因子較大的優(yōu)點，而且分離過程中產(chǎn)生的成本較低，應用潛力大?，F(xiàn)有的富集分離技術中，主要是包括應用反應器、電磁加熱器等部件，反應過程中的需要對分離部件進行加熱與再生，其中應用的加熱部分與反應器之間的配合關系主要是全面直接加熱。

直接加熱過程中對于系統(tǒng)的升溫速度較快，但加熱的時候是全面的全部件加熱，導致分離時對于系統(tǒng)的氫同位素的分離速率缺少連續(xù)性可控效果。分離過程中，對于各項分離狀態(tài)參數(shù)的調(diào)整精度較低，僅僅從大的理論上分析了低溫精餾分離過程中的分離效果，沒有對于低溫精餾分離的時候的全面精確研究，對于以后的實際推廣應用中的效率提升研究幫助有限，或者說，無法更好的發(fā)揮低溫精餾分離氫同位素的分離效率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中缺少可行的高效氫同位素分離技術，提供一種置換色譜氫同位素富集分離方法。本發(fā)明的方法可以高效快速的從天然純氫氣中分離得到氫的同位素——氘和氚，具有實施簡單方便高效的特點，能夠有效地改善氘氚分離富集困難的問題，為熱核聚變反應堆提供充足的反應燃料。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：

一種置換色譜氫同位素富集分離的方法，包括以下步驟：

(1)降溫：將分子篩柱制作成螺旋狀盤管，在一容器中盛裝液氮，分子篩柱全部浸入到液氮中，讓分子篩溫度保持在液氮溫度；

(2)吸附：向分子篩柱中通入氫氣，計量通入分子篩的氫氣量，當分子篩內(nèi)的氣壓達到一定的壓力以后，停止通入氫氣。其中，氣壓優(yōu)選控制為一個大氣壓，對于設備的要求更低，更易實施，且分離效果較好。所述氫氣含有天然豐度的氘/氚。

(3)升溫分離：將螺旋狀的分子篩柱向上提拉，使分子篩柱脫離液氮液面，利用空氣對分子篩柱進行加熱。最好是緩慢的提拉分子篩柱，使分子篩柱的溫度緩慢升高。在提拉的過程中，螺旋狀的分子篩柱借助空氣加熱實現(xiàn)熱分離，特別是可以實現(xiàn)分段加熱，使得分子篩柱的溫度分段逐漸升高?？刂品肿雍Y柱提出液氮液面的速度為0.5-5cm/min，優(yōu)選提拉速度為1-2.5cm/min，緩慢的完成分子篩柱的加熱過程。

(4)檢測和收集：對于分子篩柱排出的氫氣，在后端使用氫氧復合器將氫氣氧化為液態(tài)水，然后使用磁質(zhì)譜檢測其中的氘豐度。檢測氫氣通過不同數(shù)量的分離柱(分子篩柱)之后的氘的濃度，以此來確定每一級柱子對氫氘分離的效率。在明確分離柱長度，填料等因素對于分離比例的影響后就可以對分離柱進行優(yōu)化設計，保證在進行氘富集時得到所需要濃度的產(chǎn)品。

本發(fā)明的置換色譜氘/氚富集分離方法，將分子篩柱設置成了螺旋狀盤管結構，外形類似于彈簧，先利用了低溫液氮降溫控制分子篩柱的溫度在極低的水平，然后通過提拉的方式使得分子篩柱緩慢離開液氮液面，利用空氣加熱完成對于分子篩柱的加熱分離，通過改變分子篩柱子的溫度變化，實現(xiàn)對于氫氣中的同位素的分離作用。其中通入的氫氣是含有天然豐度的氘、氚的氫氣，也可以是經(jīng)過一定的富集處理的氘和/或氚的豐度大于一般的天然氫氣的人工氣體(人工預處理氫氣)，或者核反應堆副產(chǎn)物的含氘、含氚氫氣。因為，分離的過程中分子篩的溫度通過液氮以及空氣控制，控制的外部條件較為簡單，同時控制的降溫與升溫過程中的變化具有連續(xù)性，可以實現(xiàn)溫度連續(xù)變化保證了分離的效率，使得分離的效果更佳。其中，所述分子篩柱是填充有分子篩的管狀柱子。分子篩柱管子的截面形狀可以是圓形、橢圓形、矩形等形狀，最好是圓形，填充分子篩的量最大，且結構最為穩(wěn)定。

進一步，步驟(1)中，所述分子篩柱是將分子篩填充于不銹鋼管中制備而成的。將分子篩粘接壓制成型后封裝在柱狀、長條狀的螺旋管道中，構成的連續(xù)的分子篩柱是實現(xiàn)氫同位素分離的關鍵因素，控制分子篩柱具有連續(xù)的長管道可以實現(xiàn)連續(xù)多級分離塔結構完成對于極低濃度氘的富集分離，并且可以實現(xiàn)高濃度的氘的進一步純化富集。優(yōu)選的可以使用螺旋管進行灌裝分子篩經(jīng)過粘接形成的分子篩物料，混合填充密度更佳，更能夠充分的吸附天然氫氣，完成對于氘和/或氚的分離富集。

進一步，步驟(1)中，所述的分子篩柱填充的分子篩是A、X或Y型分子篩中的一種或幾種的混合物。優(yōu)選的，所述分子篩是A和/或X型的分子篩，更適用于氣體干燥、分離、純化工作。分子篩是人工合成泡沸石，硅酸鹽的晶體，成白色粉末，粒度為0.5微米到10微米，分子篩經(jīng)過加熱失去結晶水后在晶體內(nèi)形成許多孔隙，其孔徑的大小與分子直徑相近，且非常均勻。分子篩是各類吸附劑中，孔徑分布最集中的一類吸附劑。它能把小于孔徑的分子吸進孔隙內(nèi)，把大于孔徑的分子擋在孔外，因此具有很強的選擇吸附性能。由于氫同位素的原子質(zhì)量不同，其在分子篩中的吸附作用存在微小的差別，利用大量連續(xù)的分子篩柱對天然氫氣進行連續(xù)多次的分離處理，將這種微小的差別放大，可以使得分子篩柱中的氫同位素快速的分離開來。

進一步，在步驟(2)中，所述氫氣是天然的氫氣，其中含有天然豐度的氘/氚，如果使用富含氘/氚的氫氣作為原料也可以實現(xiàn)富集的目的，而且富集得到的富氘氫氣中的氘的含量比例更高。一般天然的氫氣中含有150ppm的氘，經(jīng)過富集處理可以得到較高純度的富氘氫氣，甚至純氘。

吸附技術廣泛應用在聚變反應堆氘、氚和燃料循環(huán)，例如環(huán)形室等離子排出氣體的泵送，等離子排出氣體中的氚凈化、含氚雜質(zhì)的去氚化處理、氣象色譜氫同位素分離和在先分析以及高純氣體的提取等。吸附劑的低溫吸附等溫線是很重要的設計參數(shù)，用吸附等溫線可以很方便的估算出吸附床的吸附容量，吸附平衡壓力等。

進一步，優(yōu)選的，步驟(2)中，通入氫氣的過程中，先向定容容器中通入氫氣，然后再從定容容器將氫氣通入到分子篩柱中，以實現(xiàn)精確定量通入氫氣的目的。優(yōu)選的，采用分步通氣的方法，向分子篩中通入氫氣，控制氣壓不要太高，避免氫氣穿透容器。因為通入定容容器中，實現(xiàn)了中介式的氫氣注入，可以分成多次通過定容容器注入氫氣，氫氣的通入過程中控制定容容器的氣體波動較小，防止氫氣被壓縮，使得注入分子篩柱的氫氣的總量計算更加精確，也避免了高壓氫氣滲透的問題。

具體的操作流程如下：為了準確計量通入分子篩的氫氣量，在前端設置一個定容容器。先將氫氣通入定容容器，記錄下此時的壓力值，然后再通過定容容器向分子篩中通入氫氣。為了保證能夠正常通入氫氣且外部氫氣壓力不要太高，采用分步通氣的方法。保證定容容器中的壓力始終高于一個大氣壓，當壓力下降時，往定容容器充氣。記錄下每次補充氣前后和向分子篩通氣的壓力差值。由于環(huán)境溫度波動很小，所以可以認為是在恒溫環(huán)境。所述分步通氣是指通入氫氣的過程中，分多次通過定容容器向分子篩柱通入氫氣，統(tǒng)計多次的定容容器的氣體壓力變化數(shù)值，結合定容容器的容積，計算通入氣體的總量。

當檢測到分子篩柱中的壓力超過一個大氣壓時，認為此時已吸收量經(jīng)飽和。記錄下此時的所有壓降ΔP，可以計算出吸收的氫氣量。通過計算壓降ΔP乘以定容容器的容積，即可快速的計算出吸附的氫氣量，控制氣體壓力較低，不超過一個大氣壓，保證測量結果的準確可靠性。

進一步，所述的分子篩柱包括了多級分子篩柱，多級分子篩柱之間設置為連續(xù)分子篩柱。即多級分子篩柱之間可以設置成首尾相連的結構，當一級分子篩柱完成吸附分離以后，氣體進入后一級分子篩柱繼續(xù)進行分離處理。如此設計可以根據(jù)分離的情況、分離的目的調(diào)整設計不同的分子篩柱組合結構，達到對于分子篩柱的整體連續(xù)長度的調(diào)整控制。通過增加多級分子篩柱結構可以實現(xiàn)更高的分離效率。優(yōu)選的，多級分子篩柱之間用軟管連接起來，可以實現(xiàn)逐級加熱分離處理。

進一步，步驟(3)升溫分離：

升溫分離過程如下：

使用提拉(提升)的方式進行加熱，使分子篩柱緩慢脫離液氮，溫度逐漸升高。分子篩中吸附的氫在分子篩柱脫離液氮溫度升高后開始釋放。關閉一端閥門，利用氣體脫附后的壓差，從前端分子篩柱開始依次提拉，將Q2依次從前端分子篩柱往后端的柱子中驅(qū)趕。加熱過程在室溫中輻射換熱即可完成，能耗低。

不同的提拉速度會得到不同的分離效率。通過試驗總結得到最優(yōu)工參數(shù)。實驗證明，由于分子篩吸附溫度很低，所以即使在冬天，室溫與20K的溫度仍然存在很大的溫差，分離柱在脫離液氮后即可實現(xiàn)分離過程。

分子篩在吸飽和之后加熱到液氮溫度以上，優(yōu)先釋放氕，其次是氘，最后才是氚。

針對5A分子篩，分子篩的分離溫度為-100℃，加熱系統(tǒng)僅需要通過提升分離柱到液氮液面上，借助空氣加熱即可實現(xiàn)分離柱分段加熱。分離柱由小到大一層一層的套裝。試驗初始，原始氣體充入最內(nèi)側(cè)的分離柱。然后提升分離柱。分別按照1cm/min，2cm/min的速度進行提升，提升過程中分子篩柱脫離液氮，受到上方空氣加熱，自然升溫。直到所有的柱體(分子篩柱)離開液氮表面。第一根柱子(分子篩柱)的氫氣完成了第一次分離。并可以被第二根柱子(分子篩柱)吸收。

進一步，所述分子篩柱有多個，多個分子篩柱互相連通，從前一分子篩柱分離得到的氫氣可以進入下一分子篩柱達到連續(xù)分離富集的作用。

分別測試一根柱子，兩根柱子和三根柱子對同位素的分離效果。試驗表明，單根柱子(分子篩柱)，氫中150ppm的天然豐度的氘在經(jīng)過分離后，富集端達到了650ppm，兩根柱子時達到了1000ppm，三根柱子時達到了2300ppm。

通過改變提升速度可以繼續(xù)優(yōu)化試驗過程，最終得到最優(yōu)的升溫序列(速率)。試驗可以繼續(xù)驗證分離柱長度，加熱方式，加熱速度對分離性能的影響。

進一步，分子篩柱被設計成了螺旋盤管狀，螺旋盤管狀的分子篩柱具有更長的長度，同時體積保持在較小的水平，能夠更容易的放入液氮槽中，利用液氮進行降溫處理。而且，螺旋狀的分子篩柱還可以通過中頻線圈進行非接觸式加熱，螺旋狀的結構使得分子篩柱的各個端位的加熱溫度基本保持一致，克服溫差影響，分離效果更佳。

試驗目的是為了驗證分子篩分段加熱方法對氫同位素的分離效果。分子篩的吸收量在文獻中已有記載，但是根據(jù)不同的粒徑和裝填方式，實際的吸收量仍讓需要確定。首先需要確定實際實驗中分子篩中吸飽和的Q2量。Q2表示氫同位素混合氣體量，是常用表示形式。可以通過文獻中的數(shù)據(jù)進行估算，以此來確定其他試驗參數(shù)。

進一步，制造分子篩柱的管體材料是不銹鋼材料，最好是316不銹鋼。耐腐蝕性優(yōu)良，同時具有較好的高溫性能，能夠滿足分子篩柱加熱過程中的溫度變化應力控制，使得分子篩柱在程序升溫分離時的性能大幅度改善。316不銹鋼能夠更好的滿足分子篩柱分離過程中，對于液氮冷凍和加熱分離的時候環(huán)境溫度變化的耐受性，能夠更好的保持裝置結構的整體穩(wěn)定性，對于提高分離效果以及后續(xù)調(diào)整改進分離升溫程序/方案更有利。

進一步，在步驟(4)中，測試分子篩柱排出的氫氣時，采用的分析檢測方法是間接檢測。具體的，檢測方法是先將分子篩柱排出的氫氣通過氫氧復合器，將氫氣氧化成液態(tài)水，然后通過核磁質(zhì)譜檢測。采用間接檢測的方法，可以將氫氣中氘含量的檢測分析的精度提高到5ppm的左右。相應的，優(yōu)選間接檢測過程中采樣的方式是間隔采樣，最好是定時間隔取樣分析。

在氣體進行分離后，如何對分離后的氣體進行準確測量是一個重要的問題。由于天然豐度下，氘的濃度很低，在分離后采用氣相色譜在線檢測的方式行不通。上述方法，在試驗時，通過氫氧復合器，將氫氣氧化成液態(tài)水，然后通過磁質(zhì)譜檢測，實現(xiàn)對于分離的對象的低濃度的精確檢測分析，檢測分析的精度可以提高到5ppm。

優(yōu)選的，采樣時采用定時間隔采樣，然后統(tǒng)一將水樣使用核磁質(zhì)譜進行檢測。結果表明，通過2-3次分離，2種分離柱均可使得天然豐度濃縮到2000ppm以上。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明的置換色譜氚富集分離方法，通過液氮以及空氣控制，控制的外部條件較為簡單，同時控制的降溫與升溫過程中的變化具有連續(xù)性，可以實現(xiàn)溫度連續(xù)變化保證了低溫分離氫同位素的效率極高，保證分離效果更佳。

2.本發(fā)明的置換色譜氚富集分離方法中應用的分子篩材料選擇應用的是高品質(zhì)的分子篩材料，對于氫氣的分離效果好，可以重生再利用，能夠低成本的實現(xiàn)氫同位素的分離富集，具有極高的工業(yè)化應用的潛力。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明的低溫置換色譜氚富集分離技術系統(tǒng)的示意圖。

圖中標記：1-定容容器，2-分子篩柱分離裝置，3-氫氧復合器，4-質(zhì)譜儀，5-真空泵。

具體實施方式

下面結合試驗例及具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實現(xiàn)的技術均屬于本發(fā)明的范圍。

實施例1

準備分子篩柱：

準備分子篩柱的時候，選用內(nèi)徑為12mm的不銹鋼管做為分子篩柱的主體結構。使用膠粘劑和5A分子篩混合均勻后，填充到上述不銹鋼管中，填充滿了以后，利用彎管機器將不銹鋼管彎曲成螺旋盤管結構，螺旋盤管的直徑大小為能夠放入液氮槽的尺寸，既得實驗所需的分子篩柱。

與一般的分子篩柱填充方式相比，本發(fā)明的螺旋盤管結構顯著的節(jié)約了分子篩柱的體積，能夠更加方便的利用液氮對其進行冷卻降溫。

置換色譜氚富集分離：

將分子篩柱全部沉浸到液氮當中，使分子篩柱的溫度降低到液氮的溫度。向定容容器中注入天然氫氣(含有天然豐度的氘)，定容容器壓力穩(wěn)定后，關閉注入閥門，然后打開定容容器和分子篩柱之間的閥門，使天然氫氣通入到分子篩柱中，待氣壓穩(wěn)定后，關閉閥門。開始升溫分離，升溫分離過程是將分子篩柱逐漸提出液氮液面之上，利用液氮液面上方的空氣加熱分子篩柱，實現(xiàn)分離柱的加熱，提升速度控制為1cm/min，緩慢的完成分子篩柱的加熱過程，先從分子篩柱中分離出來的是氕，然后是氘和氚，將富集得到的同位素另行收集并檢測其中的同位素豐度。

通過將分子篩柱浸泡到液氮當中，液氮快速的對分子篩柱進行冷卻降溫，降溫速度極快，由于分子篩柱的螺旋盤管結構使其與液氮的接觸面大，冷卻效果好而快。螺旋盤管結構的分子篩柱在液氮中冷卻的過程中，液氮在分子篩柱的表面發(fā)生快速氣化，形成的氣泡可以對液氮溶液產(chǎn)生良好的攪拌作用，促進液氮的冷卻降溫效果極佳。

實施例2

X分子篩材料，不同提升速度對于氫同位素的分離的影響

準備X型的分子篩，加入膠粘劑后擠壓成條狀，填充于分子篩柱當中。將此分子篩柱全部沉浸到液氮當中，液氮將分子篩柱完全浸沒，使分子篩柱的溫度降低到液氮的溫度。向定容容器中注入天然氫氣(含有天然豐度的氘)，定容容器壓力達到一個大氣壓力并穩(wěn)定后，關閉注入閥門，然后打開定容容器和分子篩柱之間的閥門，使天然氫氣通入到分子篩柱中，待氣壓穩(wěn)定后，關閉閥門，使其氫氣在吸附柱上進行充分的吸附。

在如圖1所示的分離設備上實施氫同位素的分離富集，首先將氫氣通入到定容容器1中，控制定容容器1中的氫氣壓力在一個大氣壓左右，方便計算氫氣用量的準確數(shù)值。開啟真空泵5，將分子篩柱分離設備2中分子篩柱中的空氣抽真空排出。將分子篩柱浸入液氮溶液當中，利用液氮溶液對分子篩柱進行冷卻降溫，直到兩者的溫度相等。利用定容容器1分多次將氫氣通入到分子篩柱中，記錄每一次通入氫氣時定容容器1的壓力降低數(shù)值。直到分子篩柱中的氫氣壓力達到1bar，計算定容容器1的總壓降數(shù)值，乘以定容容器1的容積，得出注入氫氣的總量Q2。緩慢提起分子篩柱，使其部分脫離液氮溶液，利用空氣對其進行加熱處理，從分子篩柱分離排出的氣體從管道進入到氫氧復合器3中，氧化轉(zhuǎn)化為水溶液，利用質(zhì)譜儀4進行質(zhì)譜分析，快速確定排出的氫氣中的氘含量，收集氘含量較高的組分，確定最優(yōu)的分離提取參數(shù)。

具體的升溫分離程序如下：升溫分離過程是將分子篩柱逐漸提出液氮液面之上，利用液氮液面上方的空氣加熱分子篩柱，實現(xiàn)分離柱的加熱，提升速度控制為2cm/min，緩慢的完成分子篩柱的加熱過程。分離的過程中，將分子篩柱排出的氫氣間歇取樣，通過氫氧復合器，將取樣氫氣氧化成液態(tài)水，然后通過核磁質(zhì)譜檢測。隨著分離時間的變化(加熱時間變化)，排出的氣體中的同位素比例發(fā)生變化，因為先從分子篩柱中分離出來的是氕，然后是氘和氚。采用間接檢測的方法，可以將排出氫氣中氘和/氚的含量檢測分析的精度提高到5ppm的左右，對于研究分離的效率，優(yōu)化分離的方法具有重要意義。

提升的過程中，螺旋盤管狀的分子篩柱離開液氮液面的時候，提升速度不用太快，實際上螺旋盤管離開液氮的時候是一圈一圈的連續(xù)的離開的，雖然提升速度不快，但實際螺旋盤管加熱的部分并不少，也就使得加熱的速率是較快的。同時由于螺旋盤管具有連續(xù)的結構，在提升的過程中分子篩柱中的氫氣同位素在空氣加熱部分的高溫和液氮中的低溫部分快速的連續(xù)的流動轉(zhuǎn)移，經(jīng)過一系列的迭代分離作用，使得單個的分子篩柱中實際包含了大量的反復分離作用，可以快速的達到及其突出的分離效率。

對比多種不同的提拉速度對于分子篩柱中氫同位素的分離效率的影響，期間控制分子篩柱的提拉速度分別為1cm/min、2cm/min、2.5cm/min、4cm/min、5cm/min、8cm/min。結果發(fā)現(xiàn)不同的提拉速度對于分子篩柱中的氫同位素的分離具有顯著的影響。根據(jù)提升速度的控制情況，還可以實現(xiàn)不同的分離效率的改善作用，因為當提升速度控制在較低時，在液氮界面處的分離效果就越突出，分離效果就越好。本發(fā)明的實施例中研究了具體的不同的提升速度對于分離效果的影響，結果發(fā)現(xiàn)當提升速度控制在2cm/min的時候，單根分子篩柱的分離效率可以達到2364ppm的富集度。如果提升速度增加到8cm/min，由于分子篩柱在空氣和液氮界面處的迭代分離作用變?nèi)酰瑢嶋H的分離因子劣化，分離效率變差。

如圖1所示，在檢測儀器前設有一個氫氧復合器(氧化裝置)，將氘氣體氧化為氘代水，以便于用核磁質(zhì)譜測量其中的含氘量，從而測量同位素分離效率。

實施例3

分析不同大小的不銹鋼鋼管的內(nèi)徑大小對于分離效率的影響

準備A型的分子篩，填充于內(nèi)徑12mm的316不銹鋼鋼管中制成分子篩柱。將此分子篩柱全部沉浸到液氮當中，使分子篩柱的溫度降低到液氮的溫度。用氫氣置換排空分子篩中的氣體，然后待分子篩柱中的，然后抽真空處理，使分子篩柱中保持真空。向定容容器中注入天然氫氣(含有天然豐度的氘)，定容容器壓力達到一個大氣壓力并穩(wěn)定后，關閉注入閥門，然后打開定容容器和分子篩柱之間的閥門，使天然氫氣通入到分子篩柱中，待氣壓穩(wěn)定后，關閉閥門。開始升溫分離：升溫分離過程是將分子篩柱逐漸提出液氮液面之上，利用液氮液面上方的空氣加熱分子篩柱，實現(xiàn)分離柱的加熱，提升速度控制為5cm/min，緩慢的完成分子篩柱的加熱過程。分離的過程中，將分子篩柱排出的氫氣通過氫氧復合器，將氫氣氧化成液態(tài)水，然后通過核磁質(zhì)譜檢測，通過檢測的結果確定分子篩柱分離富集的氫同位素的收集時機。

選用內(nèi)徑分別為6mm、10mm、14mm、18mm的316不銹鋼鋼管，采用同樣的方法填充分子篩填料加工制備得到鋼管內(nèi)徑大小不同的分子篩柱，彎曲成盤管形狀以后的分子篩柱的盤管半徑相同，且各個分子篩柱的長度均為45m。試驗的過程中，全部分子篩柱采用液氮冷凍20分鐘，通過定容容器緩沖通入1bar的天然氫氣(氘含量150ppm)，吸附10分鐘后，按照2cm/min的速度進行提拉，提拉的過程中檢測分析排出的氫氣中的氘含量。

結果表明采用了不同的管徑的不銹鋼鋼管制備成的分子篩柱對于分離富集得到的氫同位素的豐度存在一定的差異，管徑的大小并不是顯著的對應于分離效率的，當管徑過大的時候，分離的效率反而不佳，同樣控制小管徑的話在一定范圍內(nèi)可以提高分離的效率，但是超過一定的范圍以后，分離效率就開始顯著的降低了。所以最后是控制置換色譜中應用的分子篩柱的不銹鋼鋼管內(nèi)徑為10-14mm之間，分離效果較好，且單次充入氫氣分離的總量較大。

進一步，其中加熱分離初期得到的氫氣另行收集作為其他需要使用純凈氫氣的地方，避免排空浪費。

實施例4

置換色譜氚富集分離，不同大小的分子篩填料對于分離效率的影響

首先，使用2-5微米的混合分子篩作為填料，填充于內(nèi)徑12mm的不銹鋼鋼管中制成45m長的分子篩柱。然后將此分子篩柱全部浸入到液氮中，讓分子篩溫度保持在液氮溫度。然后，向分子篩柱中通入含有天然豐度氘的氫氣，控制分子篩柱的氣壓達到1bar，并保持恒定3分鐘，計量通入分子篩的氫氣量，當分子篩內(nèi)的氣壓達到一個大氣壓以后，停止通入氫氣。然后開始升溫分離：按照2cm/min的速度緩慢的將分子篩柱提出到液氮液面之上，使得分子篩柱的溫度升高(注：室溫24℃)。對于分子篩柱排出的氫氣，在后端用分析檢測儀器檢測其中的氘含量比例的變化，檢測到分子篩柱排出的氫氣中的氘含量比較高的時候，例如大于650ppm，收集相應的富氘氫氣。對比分析不同的分子篩原料的對于氫同位素的分離效率的影響作用。

結果表明，當使用不同粒徑的分子篩原料的時候，對于氫同位素的分離效率有一定的影響，在粒徑小于5μm的時候，分離效率的影響極小，只有當分子篩粒徑大于15μm的時候才會出現(xiàn)分離效率的衰減，這與分子篩比表面積減小有關，同時由于制備的過程中需要使用到一定量的粘接劑，在粘接的時候分子篩的部分表面被粘接劑破壞，所以粒徑減少對于比表面積的提升作用表現(xiàn)并不顯著，優(yōu)選控制粒徑的范圍在3-8μm即可得到較好的分離效率，綜合成本更優(yōu)選5-8μm的分子篩。

實施例5

基于上述實施例1-4的實現(xiàn)情況，研究設計一個最佳的氫同位素分離控制方法

準備分子篩柱：

選用X型分子篩原料，篩選粒徑2-3μm的原料，加入適量的膠粘劑，混合均勻，然后填充于內(nèi)徑12mm的316不銹鋼鋼管中。將填充好的不銹鋼鋼管用彎管機，加工成螺旋半徑1.5米的螺旋彎管(結構類似于彈簧)，不銹鋼管總長度45米。

氫同位素分離：

(1)降溫：將上述分子篩柱浸泡到盛裝液氮的容器中，使液氮淹沒分子篩柱，保持10分鐘以上讓分子篩溫度降低至液氮溫度。

(2)吸附：利用一個固定容積的定容容器，間接向分子篩柱中通入含有天然豐度氘的氫氣。當分子篩內(nèi)的氣壓達到1bar以后，停止通入氫氣，計量通入分子篩的氫氣量。

(3)升溫分離：將螺旋狀的分子篩柱向上提拉，使分子篩柱脫離液氮液面，利用空氣對分子篩柱進行加熱。控制分子篩柱提出液氮液面的速度為2.5cm/min，緩慢的完成分子篩柱的加熱過程，借助空氣加熱實現(xiàn)分段加熱分離。氫氣在分子篩柱中被加熱驅(qū)趕，同位素氘因為在分子篩中的分離因子不同于氕，兩者在空氣加熱之處的分離效率不同，氫氣在分子篩柱中連續(xù)的移動，形成不同的分離因子控制強度。

(4)檢測和收集：對于分子篩柱排出的氫氣，在后端使用氫氧復合器將氫氣氧化為液態(tài)水，然后使用磁質(zhì)譜檢測其中的氘豐度。確定一級分子篩柱對氫氘分離的效率，計算得出分子篩填料對于氫同位素的分離因子、分離效率等。

最終測試結果顯示，采用上述的氫同位素分離方法處理以后的天然氫氣，經(jīng)過1次分離可以達到700ppm的氘濃度，經(jīng)過2次分離可以達到1050ppm的氘濃度，經(jīng)過3次分離以后可以達到2400ppm的氘濃度。