微化工技术是化工过程强化的重要手段,氢-水同位素液相催化交换工艺是核电工业中含氚废水处理、重水生产和升级等氢同位素分离过程的重要方法。本文旨在通过超疏水微通道内气-液两相流的研究,将超疏水微通道的过程强化优势与氢-水同位素催化交换的反应和传递特征有效结合,实现氢同位素交换效率的提高,为解决氢同位素的分离问题提供新思路。而本文涉及的“疏水”一词不仅指通道壁面的疏水性,更具有疏水性对反应过程产生影响的重要内涵。论文首先针对氢-水同位素催化交换的反应和传递特征,设计弹状流和分层流两种流型,以超疏水矩形微通道构建和气-液两相流实验为基础,通过调节通道壁面的润湿分布控制流型,并考察气液流量的影响,从而获得目标流型和稳定操作区间。弹状流发生于四壁面超疏水的4S型微通道,壁面接触角滞后决定流型的稳定性,其小于15°时基于挤压机制生成均匀液滴,液滴长度的偏差系数小于10%。分层流出现在亲疏水壁面相组合的混合润湿性微通道,其中具有三个超疏水壁面和一个亲水壁面的3S1H型微通道展现出应用于氢-水同位素催化交换的巨大潜力。其次,以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为胶水、多种载体负载的铂催化剂为粉末,基于“胶水+粉末”方法制备超疏水催化剂涂层,同时建立氢同位素分析方法,利用半间歇反应装置评价和筛选催化剂,讨论载体种类、涂层疏水性和微观结构对催化交换性能的影响。实验结果表明,碳类载体负载的铂催化剂拥有更好的催化交换性能;PDMS固化过程中迁移至催化剂表面形成的疏水层对避免铂颗粒被液态水覆盖并保证催化交换性能的稳定起到了关键作用。最后,设计加工4S型和3S1H型微通道反应器,研究弹状流和分层流等多种流型下的氢-水同位素催化交换,以催化交换效率和氘脱除能力为指标,考察流型、气液流量、反应温度和铂负载量对催化交换性能的影响,并分析微通道反应器的过程强化机制。研究发现,催化交换性能的稳定性由流型和催化剂涂层的机械强度决定;与当前液相催化交换工艺中使用的滴流床反应器相比,微通道反应器从气-液相间传质和气-固相催化反应两个方面强化催化交换过程,催化交换效率达到90%以上的气时空速提高了5～10倍,为液相催化交换工艺提供了具有前景的反应器形式。