[发明专利]一种能分离和分析氢同位素的气相色谱填料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种对氢同位素H₂/D₂有良好分离/分析效能的负载型色谱填料及其制备方法。

背景技术

氘(D₂)在热核聚变反应、中子散射技术以及同位素追踪等方面具有不可替代的应用，因此D₂的获得具有重要意义。然而在自然界中D₂的丰度很低，人们获得D₂的主要手段是从H₂/D₂混合物中将D₂分离出来。目前H₂/D₂分离的方法主要有低温蒸馏、化学交换以及热扩散等。但是这些方法存在的问题是耗能大、成本高，因此人们开发了新的分离方法：气相色谱法分离氢同位素。气相色谱法分离氢同位素的关键在于其固定相材料的选择。已报道的气相色谱法分离氢同位素的固定相材料主要有贵金属Pd/Pt、氧化铝、分子筛以及玻璃微球等，然而这些固定相材料对氢同位素分离都存在一些缺点，如氧化铝在分离H₂/D₂时，H₂会发生正仲氢的裂分，出现p-H₂(仲氢)和o-H₂(正氢)两个峰，不利于氢同位素的准确定量；而对于分子筛填充柱，分离温度不易监控和控制，对分离系统的控制不利；玻璃微球填充的色谱柱，需要使用5m以上的长柱子才能达到较好的分离效果，不利于色谱柱的填充，需要大量的色谱填料，同时延长了H₂/D₂的分离时间，降低H₂/D₂的分离效率。因此，有必要开发一种分离温度易于控制，使用较短的色谱柱并可使用廉价的He作为载气的色谱柱填料来分离H₂/D₂。

研究发现，新型微孔材料金属-有机骨架化合物，在液氮温度下对H₂/D₂的量子筛分作用，使氢同位素H₂/D₂具有更好的分离选择性。已有文献报道金属-有机骨架化合物CPL-1在77K下一定压力范围内对H₂/D₂的分离选择性因子高 达3.0；而金属-有机骨架化合物MOF-74-Ni因结构中存在金属的不饱和配位点，在77K下对H₂/D₂的分离选择性因子更是高达5.0。上述研究结果表明这些金属-有机骨架化合物在液氮温度下对H₂/D₂的分离选择性远远大于传统吸附分离材料，如活性炭、分子筛等。因此金属-有机骨架化合物材料作为气相色谱填料用于分离氢同位素H₂/D₂具有潜在的性能。然而，金属-有机骨架化合物材料作为色谱固定相时存在机械强度差、颗粒尺寸大小难以控制等缺陷。固定相机械强度小会引起色谱柱的流失或造成色谱柱的堵塞，而固定相颗粒尺寸不均一将导致柱效降低从而影响分离效果。

发明内容

本发明的目的是为解决氢同位素分离存在的科学和技术问题，提供一种制备方法简单、成本低、稳定性高、机械性能好、可重复使用的基于金属-有机骨架化合物的负载型气相色谱填料及其制备方法，实现气相色谱条件下氢同位素的高效色谱分离和分析。

一种对氢同位素H₂/D₂具有良好分离/分析效能的负载型气相色谱填料，其特征在于，该气相色谱填料由金属-有机骨架化合物和氧化铝载体组成，以氧化铝为载体，在其表面负载金属-有机骨架化合物。

上述对氢同位素H₂/D₂具有良好分离/分析效能的负载型气相色谱填料的制备方法，以氧化铝为载体，通过在其表面负载金属-有机骨架化合物，然后再在金属盐MX_n溶液中浸渍制得，包括以下几种制备方法：

方法一

(1)将预活化处理的γ-Al₂O₃加入到含过渡金属离子无机盐和有机配体的混合的去离子水溶液中，浸渍0.1～20h；其中γ-Al₂O₃：有机配体：过渡金属离子无机盐：溶液中去离子水的用量关系为0.1～20.0g：0.1～50mmol：0.1～50mmol： 5～100mL；