DE2236497C3 - Verfahren zum Austausch von Wasserstoffisotopen - Google Patents
Verfahren zum Austausch von WasserstoffisotopenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austausch von Wasserstoffisotopen zwischen Strömen von gasförmigem
Wasserstoff und flüssigem Wasser in Gegenwart eines auf Trägermaterial aufgebrachten Katalysators
der VIII-Gruppe.
Die Verwendung von Katalysatoren der Gruppe VIII des Periodensystems ist in Gmelins Handbuch der
anorganischen Chemie, Band Sauerstoff, Nr. 3, 1964, Seiten 1873 bis !886, beschrieben.
Die US-PS 26 90 379 offenbart ein Verfahren zur I li-stellung von Deuteriumoxid, bei welchem wassersiolfhahij/cs
Deuterium und Wasser in einer Reaktions- V:uunn:r zusammengebracht werden und die Glcichgcv.r
ti!-.n:;ikiiofi /wischen ihnen mit einem Katalysator
<-;ι';ιΙ/·.μ:Μ wird, der ans Nickel, Cobalt, Eiscn-Rulhcni-ΙΊιμΙιιιμι,
I'ulliidiiim. Osmium, Iridium. Platin,
'/Ι',Ι/Ι-Ί.ιη Wolfram oder Rhenium auf einem vcrhält-•
.,-.γν;ιΙ'ιι;' inerten Irager besteht oder sich aus diesen
l'':-.t;inr lic ilen zusammensetzt.
I.in größeres Problem bei dem in der vorgenannten
I ,SI1S offenbarten Verfahren liegt darin, daß, während
die Katalysatoren, wie gefunden wurde, den Wasscrstoffisotopenaustausch
zwischen Wasserstoff und Wasserdampf katalysieren, diese Katalysatoren einen hohen
und unerwünschten Verlust an Aktivität zeigen, wenn sie in innige Berührung mit flüssigem Wasser gebracht
werden. Das katalytisch aktive Metall wird dadurch mil einem vielschichtigen Film von flüssigem Wasser
bedeckt, das die Austauschrate drastisch beschränkt, da dann nur in dem flüssigen Mim gelöster Wasserstoff für
die Reaktion leicht verfügbar ist. In Gegenwart flüssigen Wassers ist die sich ergebende Aktivität zu gering, um
das Verfahren wirtschaftlich /.u machen, und so wurde in der»Pioduclion of Heavy Water« von M. Murphy, H. C.
Urcv und I. Kirschbaum. McCraw-Hill Book Co.. N.Y.,
1955. Seite 14, beschriebenen Anlage der Kontakt von
flüssigem Wasser mit dem Katalysator dadurch vermieden, daß die relative Feuchtigkeit des Stroms bei
dem Verfahren unter dem Siittigungswert gehalten
wurde. Kin solches Verfahren ist. während es in
befriedigender Weise durchzuführen ist. leuer, und so
wiire es wünschenswert, ein Wasscrstoffisolop-Ausiiiuschverfahren
/wischen Strömen von gasförmigem Wasserstoff und flüssigem Wasser zu schaffen, bei
weichern die Desakiiviening des katalytisch aktiven
Metalls durch das flüssige W;isser verzögert ist.
Ziel der Krfindung ist es. ein Verfahren zum Austausch von Wasserstoffisotopen zwischen Strömen
von gasförmigem Wasserstoff und flüssigem Wasser zu schaffen, bei welchem die Desaktivierung des katalytisch
aktiven Metalls durch das flüssige Wasser verzögert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Austausch von Wasserstoffisotopen zwischen Strömen von gasförmigem
Wasserstoff und flüssigem Wasser, in Gegenwart eines auf Trägermaterial aufgebrachten Katalysators
ίο der VIII-Gruppe besteht darin, daß ein poröses
hydrophobes Trägermaterial verwendet wird, das aus Polytetrafluorethylen, Polyäthylen, Polystyrol, Polymethylmethacrylat
oder Polypropylen besteht.
Der Träger kann bevorzugt mit einer Aufschlämmung
oder einer Salzlösung des Katalysators imprägniert sein. Die Katalysatorteilchen werder. dann auf
oder in dem Träger durch Verdampfen des Lösungsmittels und chemische Reduktion bei erhöhter Temperatur
abgeschieden bzw. eingebettet Alternative Maßnahmen zum Verteilen der Metallteilchen, wie z. B.
Vermischen des Metalls und des Trägermaterials, liegen für den Fachmann auf dem Gebiet der Katalysatorherstellung
auf der Hand.
Als Katalysator wird vorzugsweise Platin, Nickel oder Rhodium verwendet, wobei das katalytisch aktive Metall vorzugsweise in einer Menge zwischen 0,01 und 10,0 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,1 und 1,0 Gew.-°/o,der Katalysatoreinheit verwendet wird.
Als Katalysator wird vorzugsweise Platin, Nickel oder Rhodium verwendet, wobei das katalytisch aktive Metall vorzugsweise in einer Menge zwischen 0,01 und 10,0 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,1 und 1,0 Gew.-°/o,der Katalysatoreinheit verwendet wird.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen wird die
w Katalysatoreinheit in Form einer Vielzahl diskreter, als
Bett angeordneter Körper eingesetzt.
Wenn gewünscht, kann der Wasserstoff-Gasstrom aufsteigend eingeleitet mit der Katalysatoreinheit in
Berührung gebracht werden, und der Flüssigwasser-
J5 strom wird abwärts rieselnd mit der Katalysatoreinheit
in Berührung gebracht.
Andererseits kann sowohl der Wasserstoff-Gasstrom als auch der Flüssigwasserstrom im Glcichstom
aufwärts oder abwärts in Berührung mit der Kalalysatoreinheit zugeführt werden.
Die Temperatur, bei der die Ströme miteinander und mit der Katalysatoreinheit in Berührung gebracht
werden, ist auf eine lemperatur beschränkt, unter der
das Trägermaterial thermisch stabil ist. wobei diese
4> Temperatur bevorz.tigi im Bereich zwischen 0 und
300"C liegt.
Die folgenden Beispiele dienen lediglich der Vcranschaulichlungdcr
Erfindung.
B c i s ρ i c ! I
In poröse Polytetrafluoräthylen-Träger
eingebetteter Platinkatalysator
eingebetteter Platinkatalysator
r)2 g 3 mm starker poröser Polytctrafluoräthylcn-Ku-
v> ben als Träger wurden in eine Azetonlösung eines
Platinsalzes, üblicherweise von Hexachlorplatinsäure, eingetaucht, so daß die Lösung in die Hohlräume der
Trägerkuben absorbiert wurde. Die überschüssige Lösung wurde dekantiert und das in den Trägcrkiiben
Wl eingeschlossene Lösungsmittel in einem Luftstrom
verdampft, wodurch das Plainsal/ auf den Innenflächen
der Triigcrkuben abgeschieden wurde. Diese Maßnahme wurde wiederholt, bis genügend Salz abgeschieden
worden war. um einen Wen von 0.r> Cicw.% Platin auf
h' ilen Trägerkuben zu erreichen. Dann wurde diis SnI/ in
einem Wasscrstoffslrom bei 500C über i Stunden zu
dem Zustand metallischer Katalysaiortcilchcn reduziert,
auf Raumicmprciiiur abgekühlt und der sieh
ergebende, in Polytetrafluorethylen eingebettete Katalysator
wurde in eine Glassäule mit einem Querschnitt von 2,16 cmJ gegeben.
Nun wurde der Kontakt der Katalysatoreinheit mit einem Strom gereinigten gasförmigen Wasserstoffes
natürlicher Isotopenhäufigkeit (D/H = 118 ppm) und mit an Deuterium angereichertem flüssigem Wasser
(D/H = 1140) derart vorgesehen, daß der Wasserstoff-Gasstrom
aufwärts gerichtet war und der Flüssigwasserstrom abwärts durch das Bett rieselte. Das Ausmaß
des Isotopenübergangs zwischen den beiden Strömen wurde gemessen, indem der Deuteriumgehalt des
Wasserstoffes nach dem Durchgang durch die Säule und der Entfernung des mitgeführten Wasserdampfes
aufgezeichnet wurde. Der Austauschwirkungsgrad (ε) der Säule wurde als Bruchnäherung zur Gleichgewichtsanreicherung der gasförmigen Wasserstoffphase ausgedrückt,
wobei na. ne und π die anfänglichen Gleichgewichts-
und beobachteten Atombruchteile an Deuterium in dem gasförmigen Wasserstoffstrom darstellen.
Katalysator zum Betrieb in der Dampfphase (bei Abwesenheit von flüssigem Wasser) ergibt, der aber
nicht den Kontakt von Flüssigwasser mit den Teilchen verhindert. Entsprechend wurde ein Katalysator, der
0,5% Fiatin auf 3,2 mm starken Zylindern aus porösem Aluminiumoxyd enthielt, wie oben ausgeführ» hergestellt
und in Gegenwart und Abwesenheit von flüssigem Wasser in Betrieb genommen. Aus Tabelle 2 geht
hervor, daß dieser Katalysator extrem wirksam ist, wenn flüssiges Wasser nicht an den Katalysator
(Dampfphasenbetrieb) herangelassen wird. Andererseits wird die Säulenwirksamkeit um 4 Größenordnungen
vermindert, wenn er in Gegenwart von flüssigem Wasser eingesetzt wird.
Ein direkter Vergleich der letzteren Angaben mit den
in Beispiel 1 gegebenen Angaben zeigt den Vorte·! der Herstellung von Katalysatoren zum Austausch zwischen
Flüssigwasser und Wasserstoff unter Verwendung eines Trägermaterials, das durch flüssiges Wasser
nicht benetzt wird.
=
η - tip
ne-n0'
ne-n0'
Repräsentative Werte des nach bestimmten Zeitintervallen bei kontinuierlichem Säulenbetrieb bei 26° C
gemessenen Wirkungsgrades sind in den nachfolgenden Tabellen aufgeführt.
Platinkatalysator, eingebettet in Folytlrafluoräthylen-Träger
- Gegenstrom
Zeit
(SId.)
H2-Strom
Flüssigwasserstrom
Wirkungsgrad
(cm NTP*)/sec) (g/min)
| 1,25 | 6,7 |
| 7,0 | 6,7 |
| 26 | 6,6 |
| 43 | 6,6 |
| 49 | 6,6 |
| 65 | 6,6 |
| 71 | 6,6 |
| 138 | 6,7 |
| 0,85 | |
| 2,17 | |
| 5,00 | |
| 6,6 | |
| 11,8 | |
| 15,1 | |
| 17,7 |
0,9
0,9
2,0
0,54 0,39 0,42 0,40 0,42 0,35 0,35 0,33 0,95 0,73 0,46 0,38 0,26 0,20
0,19
*) NTI' = Normal Temperatur und Druck.
Platinkatalysator, eingebettet in porösem Aluminiumoxyd-Träger
Dampfphase: Gleichstrom, 12,7 mg Katalysator
Zeit
Platinkalalysalor. eingebend in porösem Λluminiumoxyd-Träger
Dieses Trägermaterial wurde ills typisches Beispiel
eines Trägers gewühlt, der einen extrem wirksamen Wasserstoffstrom
Wasserdampfstrom
Wirkungsgrad
(Std.)
(cmNTP/sec) (cmNTP/sec)
11,8
11,8
11,8
0,46 0,46
0,13 0,12
Flüssigphase: Gleichstrom, 25 g Katalysator
Zeit
(Std.)
0,5
| WasserstofT- | Flüssigwasser | Wirkungs |
| strom | strom | grad |
| (cm NTP/sec) | (cm NTP/sec) |
6,4
3,0
0.005
Flüssigphase: Gegenstrom, 25 g Katalysator
Zeit
(Std.)
| WasserstolT- | Flüssigwasser | Wirkung |
| strom | strom | grad |
| (cm NTP/sec) | (cm NTP/sec) | |
| 6,4 | 3,0 | 0,009 |
| 3,9 | 3,0 | 0,018 |
| 2,4 | 3,0 | 0,030 |
| Beispiel J |
0,5
0,8
1,0
0,8
1,0
PlalinkalalysHor.eingebettet in
porösem Polyäthylen-Träger
25 g Katalysator wurden, wie im Beispiel I beschrii·-
Ik'ii, hergestellt und bei \2r>
C Ib Stunden king reduziert. Tabelle ) gibt repräsentative Daten für diese
Katalysatorcinliuit, die 1.3 (iew.-% l'latinkatiilysalor
enthält.
Platirikatalysator, eingebettet in Polyäthylen-Träger Gegenstrom
| Zeit | Wasserstofl"- | Flüssigwasser | Wirkungs |
| strom | strom | grad | |
| (Std.) | (cmNTP/sec) | (g/min) |
| 2,6 | 2,0 |
| 4,0 | 2,0 |
| 3,4 | 2,0 |
| Beispiel |
0,50 0,08 0,11
starken Teilchen wurde mit einer Azetonlösung von Hexuchlorplatinsäure imprägniert. Die Probe wurde in
trockenem Wasserstoff bei 200°C 8 Stunden, wie im Beispiel I beschrieben, reduziert und in der Säule
zwischen zwei porösen Fritten festgelegt. Der Anteil der Metallteilchen dieses Katalysators war 0,5%, uie
Aktivitätsmessungen sind in Tabelle 4 zusammengestellt.
Platinkatalysator, eingebettet in Polystyrol-Träger
Gleichstrom
Gleichstrom
Platinkatalysator, eingebettet in porösem Polystyrol-Träger
Eine 1,66-g-Probe eines porösen Polystyrol-Trägers in Form von 0,148 bis 0,178 mm (80 bis !OC mesh)
ι j Zeit
(Std.)
WasserstofT-strom
Flüssigwasserstrom
Wirkungsgrad
(cm NTP/sec) (g/min)
2,5
9,0
9,0
15,2
24,0
24,0
2,0
0,89
0,44
0,44
Claims (2)
1. Verfahren zum Austausch von Wasserstoffisotopen
zwischen Strömen von gasförmigem Wasserstoff und flüssigem Wasser, in Gegenwart eines auf
Trägermaterial aufgebrachten Katalysators der VIII-Gruppe, dadurch gekennzeichnet,
daß ein poröses hydrophobes Trägermaterial verwendet wird, aus Polytetrafluorethylen, Polyäthylen,
Polystyrol, Polymethylmethacrylat oder Polypropylen besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das katalytisch aktive Metall in einer Menge zwischen 0,01 und 10,0 Gewichtsprozent,
insbesondere zwischen 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent, der Katalysatoreinheil verwendet wird.
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