DE2830972B2 - Zellenaufbau zum Trennen einer ionisierten Lösung - Google Patents
Zellenaufbau zum Trennen einer ionisierten LösungInfo
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Description
Erfindungsgegenstand ist der Zellenaufbau gemäß Anspruch 1 und seine Verwendung gemäß Ansprüche *>
und 6.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.
Um die in einem Kernreaktor erzeugte Energie zu regeln, ist es üblich, neutroneneinfangendes Bor in dem
Kühlwasser aufzulösen, das durch den Reaktorkern strömt. Die Kerne der Boratome fangen dabei einige
der Neutronen ein, die bei den Spaltprozessen innerhalb des Reaktorkerns erzeugt werden; durch eine kontrollierte Verminderung des Neutronenhaushalts innerhalb
des Kerns wird somit die Leistung geregelt, die der Kern erzeugt Als eine Ncbenfolge dieses Neutroneneinfangvorgangs verfallen außerdem diejenigen Borkerne, die
Neutronen eingefangen haben, im allgemeinen in Lithiumkerne oder Lithiumisotope je mit einer daraus
sich ergebenden Atommassenzahl s'eben (Lithium 7).
Um die Reaktorkernkorrosion einzuschränken, ist es auch üblich, Lithiumhydroxyd dem Wasser in dem
Reaktorkcrn-Primärkühlmittelkreislauf zuzusetzen. Die für diesen Zweck gewählte Lithiumisotope ist die
Isotope mit der Massenziffer 7, weil im Gegensatz zu der obengenannten Borfunktion diese bestimmte
Lithiumisotope im allgemeinen weniger Neutronen einfangen und weniger gefährliche Tritiummcngcn
erzeugt. Weiterhin besieht in dieser Beziehung eine
Knappheit an dieser bestimmten Lithiumisotope in
einer Form, die gegenüber den anderen Lithiumisotopen stark angereichert ist.
Um die Borkonzentration in dem Primärkühlmittel zu ·■>
ändern, wodurch die Reaktorleistung geregelt wird, und um die Lithiumhydroxydkonzentration in dem Reaktorkühlmittel zu kontrollieren, ist es bekannt, eine Anzahl
ziemlich komplizierter Verfahren zu verwenden. Diese Verfahren verwenden Verdampfer, Krislallisatoren,
ίο Fällungs-/Spü!apparate und dergleichen. Die Arbeitsweise dieser Verfahren ist unbefriedigend gewesen, und
oft ist der Kraftwerksbetrieb eingeschränkt worden und es wurden umfangreiche Änderungen durchgeführt Die
durch die Unzulänglichkeit diese Maßnahme verursach-
daß wesentliche Verbesserungen unbedingt erforderlich
sind.
innerhalb des Reaktorkerns wird oft Tritium, eine
schwere Wasserstoffisotope, erzeugt Dieser Stoff schafft Gesundheits- und Umweltsprobleme, und in
bestehenden Kernkraftwerken werden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um dieses »titriumoxyd
haltige« Wasser von der Kraftwerksbaustelle zu
entfernen.
Forschungsarbeiten, die darauf gerichtet waren. Ionenaustausch- unci Elektrodialyseverfahren für die
Behandlung von radioaktiven Abwässern anzuwenden,
jo sind abgewickelt worden. In knappen Worten kann man
sagen, daß dies Forschungen eine normale Elektrodialyse-Zellenanordnung betraf, bei der Salze in bestimmten
Kammern gesammelt und konzentriert werden, während frisches Wasser über Ionentransport durch
π gewählte durchlässige Membranen erzeugt wird. Bei
der Elektrodialyse ist festgestellt worden, daß bestimmte Materialien oder Membranen wahlweise gegenüber
Kationen durchlässig sind und daß andere Membranen gegenüber Anionen durchlässig sind. Wenn unter diesen
Umständen eine Kalionmembrane ivischen ionenreichem Wasser und einer negativ geladenen Kathode
angeordnet wird, dann werden die positiv geladenen Kationen durch die Membrane zur Kathode wandern.
Die Membrane wird jedoch in wirkungsvoller Weise
r. den Transport von negativ geladenen Anionen durch die Membrane zur Kathode verhindern. In weitgehend
der gleichen Weise wird es eine Anionmembrane erlauben, daß negativ geladene Anionen zu einer positiv
geladenen Anode wandern, während sie gleichzeitig für
w die Kationenwanderung in der gleichen Richtung eine
Sperre darstellt. Mischbett-Ionenaustauschharze werden in den Produktwasserströmen verwendet, um die
lonenentfernung und den lonentransport zu erleichtern. Die konzentrierten Abfallströme werden gesammelt
'•ί und zur Abfallbeseitigung erstarrt Diese Anordnung
besteht aus abwechselnden Konzentrat- und Produktwasserkammern, die zwischen einem Elektrodenpaar
eingeschlossen sind.
Was die Chemie und die stattfindenden chemischen
ho Vorgänge angeht, so gilt folgendes: In knappen Worten
kann man sagen, daß sich vieie Säuren und Basen im Wasser in Teilionen zersetzen. So löst sich Borsäure in
einer Wasserlösung in ein negativ geladenes Boration und in ein positiv geladenes Wasserstoffion auf.
*>"' Bekanntlich heißen die negativ geladenen lone »Anionen« und die positiv geladenen Ionen »Kationen«. Es isi
ai;IJerdem festgestellt worden, daß einige Harzarten
eine Affinitäi für Anionen und daß andere Harze eine
Affinität für Kationen haben. Diese Kenntnis ist ausgenutzt worden, um ionisierte Stoffe aus Wasser zu
entfernen. Somit wird das ionenreiche Wasser durch ein aus Anion- und Kationharze bestehende Mischbett
geleitet, wobei die Anionharze die Anionen und die Kationharze die Kationen aus dem Wasser entfernen.
Elektrodialyse dagegen ist ein ganz anderes Verfahren. Gewöhnlich wird ein Paar Elektroden in ionenreiches
Wasser eingetaucht und dieses Elektroden werden entgegengesetzt elektrische Ladungen verliehen, wobei
die negativ geladenen Anionen dazu neigen, zu der positiv geladenen Anode zu wandern, während umgekehrt
die positiv geladenen Kationen dazu neigen, zur negativ geladenen Kathode zu wandern.
Die Erfindung besteht nun darin, daß eine Kationharzschicht
zwischen der Kationmembrane und der negativ geladenen Kathode angeordnet wird, und daß
eine Anionharzschicht zwischen der Anionmembrane und der positiv geladenen Anode angeordnet wird. Um
diesen Aufbau zu vervollständigen, werden zwei weitere
Membranen der Kombination hinzugefügt. Eine Kationmembrane
wird z. B. zwischen der Anionharzschicht
und der positiv geladenen Anode angeordnet Umgekehrt wird eine Anionmembrane zwischen der Kationharzschicht
und der negativ geladenen Kathode angeordnet Dieser erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht
nicht nur einen kontinuierlichen Strom sehr reinen deionisierten Wassers aus dem Mischbett abzuziehen,
sondern er erzeugt auch kontinuierliche Ströme konzentrierter Säure aus der Anolytkammer, die die
Anionharzschicht enthält, und konzentrierter Lauge aus der Katholytkammer, die die Kationsharzschicht enthält.
Diese kontinuierliche Erzeugung von Säure und Lauge steht natürlich im scharfen Gegensatz zu
früheren bekannten Bemühungen, die darauf gerichtet waren, Ionenaustausch- und Elektrodialyseverfahren zu
kombinieren, die Anionen und Kationen verbanden, um einen konzentrierten Salzwasserstrom zu erzeugen.
Eine auf das Problem der Reaktorkern-Kühlwasser-Reinigung angewandte typische Ausführungsform der
Erfindung erzeugt nicht nur reines Wasser sowie konzentrierte Borsäure und Lithiumhydroxyd, sondern
hat auch die sehr vorteilhafte Wirkung, das Lithium-7 aufzufangen, das durch die Zersetzung des Bor
— lo-Kerns nach einem Neutroneneinfang erzeugt wird,
und diese seltene Isotope, die als ein Edelprodukt eingeführt wird, zurückzugewinnen. Durch die Hinzufügung
eines geeigneten Materials zu diesem Zellenaufbau kann außerdem Tritium vorzugsweise aus dem
Wasser durch den Stoff extrahiert werden, um anschließend in einer konzentrierten Form beseitigt zu
werden.
Somit wird erfindungsgemäß ein Zellenaufbau zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen, das kontinuierlich
ein ionenreiches Aufgabegut zu einer deionisierten Flüssigkeit, einer konzentrierten Säure und einer
konzentrierten Lauge verarbeitet Dieses Verfahren bietet bei Verwendung in Verbindung mit einem
Kernreaktor-Kern-Kühlwasser die weiteren Vorteile einer Lithium-'-Rückgewinnung und Tritiumbeseitigung.
Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es
zeigt
F i g. 1 eine schem"tische Darstellung eines Austauschersund
F i g. 2 ein Schema der Wirkungsweise der Erfindung.
Gemäß der Darstellung in F i g, 1 besteht der
Austauscher aus einer Reihe von vier Zellen 10, U, 12 und 13. Die Zellen 10 und 12 sind in ihren wesentlichen
Merkmalen gleich, während die Zellen 11 und 13 "-, zueinander ähnlich sind, während sie in der relativen
Anordnung ihrer Bauteile von den Zellen 10 und 12 abweichen, wie nachstehend beschrieben wird.
Die Zelle 10 weist eine Anode 14 in einer Anodenkammer 15 auf. Die Anode 14 ist elektrisch mit
ίο einer nicht dargestellten Kraftquelle gekoppelt um auf
der Elektrodenoberfläche eine positive Ladung zu erzeugen.
Die Anodenkammer 15 ist von einer Anolytkammer 16 durch eine Kationenmembran 17 getrennt Wie
ti bereits zuvor erwähnt wurde, erlauben es Kationmembranen
positiv geladenen Kationen von einer Seite der Membrane zur anderen zu wandern. Eine Kationmembrane
ermöglicht es jedoch nicht, einem negativ geladenen Anion von einer Membranseile durch die
Membrane hindurch zur anderen Seite dieser Membrane zu wandern.
Die Anolytkammer 16 enthält eine Anionharzschicht 20, die zu einem allgemein rechteckigen Prisma
ausgebildet ist dessen eine Seite durch die Kationmembrane 17 gebildet wird. Die Anionharzschicht 20 ist im
allgemeinen eine Masse aus zusammengepreßten Kügelchen, die aus einem harzigen Material bestehen,
welches vorzugsweise verschmutzende Anionen absorbiert und bevorzugtere Anionen freigibt Eine Anion-
JO membrane 21, die von der Membrane 17 mit Abstand
sowie parall zu derselben angeordnet ist, bildet eine andere der Seiten der Anolytkammer 16. Harzschichten,
die nur anionische Stoffe oder nur kationische Stoffe absorbieren, .'.erden oft mit Mono-Ionen-Austausch-Harzschichten
bezeichnet. Wie zu erwarten ist erlauben es Anionmembranen negativ geladenen Ionen, von
einer Seite der Membrane zur anderen zu wandern. Anionmembranen erlauben es jedoch nicht einem
positiv geladenen Kation, von einer Mcmbrrvnseile durch die Membrane hindurch zur anderen Seite
derselben zu wandern.
E'.j Harzmischbett 22 füllt den Raum einer rechteckigen,
prismaförmigen Aufgabegut-Eintrittskammer 23 aus. Auf jeden Fall hat das Mischbett 22 eine Affinität
für Kationen und Anionen, so daß es beide Stoffe aus der Lösung entfernt. Wie man der F i g. 1 entnehmen
kann, ist das Mischbett 22 zwischen der Anionmembrane 21 und einer Kationmembrane 24 eingeschlossen.
Die Kationmembrane 24 bildet überdies die Trennwand zwischen der Aufgabegut-Eintrittskammer 23 und einer Katholytkammer 25. Innerhalb der Katholytkammer 25 tauscht eine rechteckige, prisnuförmige Kationsharzschicht 26 aus gepreßten Harzkügelchen oder dtrgleichen verschmutzende Kationen gegen bevorzugte Kationen in der Kammer 25 aus.
Die Kationmembrane 24 bildet überdies die Trennwand zwischen der Aufgabegut-Eintrittskammer 23 und einer Katholytkammer 25. Innerhalb der Katholytkammer 25 tauscht eine rechteckige, prisnuförmige Kationsharzschicht 26 aus gepreßten Harzkügelchen oder dtrgleichen verschmutzende Kationen gegen bevorzugte Kationen in der Kammer 25 aus.
Eine negativ gelqdene Kathode 27, die ebktrisch mit
einer Stromzuführung verbunden ist, ist von der Katholytkammer 25 durch eine Anionmembrane 30
getrennt und ist von der Kationmembrane 24 mittels der
M) Kationharzschicht 26 mit Abstand angeordnet Auf diese Weise bildet die Membrane 30 eine Trennwand für
die Katholytkammer 25, wobei diese Trennwand parallel zur Kationenmembrane 24 verlauf:.
Da die Zelle 12 in ihrer Ausführung gleich der Zelle 10
(" ist, hat die Zelle 12 eine positiv geladene Anode 31, die
mit Abstand 'on eit.er Aiiionhar/.schicht 32 in einer
Anolytkammer 33 mittels einer Kationmembianc 34 angeordnet ist. Die Anolytkammer 33 ist überdies von
einem Mischharzbett 35 in einer Aufgabegutkammer 36 durch eine Anionmembnine 37 getrennt.
Die Katholytkammer 40 ist von der Aufgabegutkammer 36 durch eine Kationmembrane 41 getrennt.
wodurch eine Kationsharzschicht 42 zwischen der Kationmembrane 41 und einer Anionmembrane 43
eingeschlossen wird. Die Membrane 43 ist auch zwischen der Kationharzschicht 42 und einer negativ
geladenen Kathode 44 angeordnet.
Die Zelle 11 hat jedoch eine etwas andere relative Anordnung der Bauteile. So ist die negativ geladene
Kathode 27 von einer Kationharzschicht 45 durch eine Anionmembrane 46 getrennt. Eine Kationmembrane 47
bewirkt eine weitere Trennung zwischen der Kationsharzschicht 45 in einer Katholyikammer 50 und
Mischbett 51 in einer Aufgabegutkammer 52. Eine Anolytkammer 53 ist neben der Aufgabegutkammer 52
mittels einer Anionmembrane 54 ausgebildet, die als eine Trennwand zwischen der Aufeabeeutkammcr 52
und der Anolytkammer 53 wirkt, wodurch die Anionharzschicht 53Λ eingeschlossen wird. Die positiv
geladene Anode 31 ist überdies von der Anolytkammer 53 durch die Kaiionmembrane 55 getrenni.
Die Zelle 13 ist in einer ähnlichen Weise wie Zelle Il
angeordnet. Erläuternd sei darauf hingewiesen, daß die Zelle 13 eine Katholytkammer 56 aufweist, die eine
Kaiiuimar/.sL-hichi 57 enthält, weiche von der negativ
geladenen Kathode 44 durch eine Anionmembrane 60 getrennt ist. Eine Aufgabegutkammer 61 ist zwischen
der Katholytkammer 56 und einer Anolytkammer 62 errichtet. Die Aufgabegutkammer 61 enthält ein
Mischbett 63, welches von der Katholytkammer 56 durch eine Kationmembrane 64 und von der Anolytkammer
62 durch eine Anionmembrane 65 getrennt ist. Weiterhin ist in der Anolytkammer 62 eine Harzschicht
66 zwischen der Anionmembrnne 65 und einer Kationmembrane 67 eingeschlossen. Die Kationmembrane
67 trennt die Anionharzschicht 66 von einer positiv geladenen Anode 70.
Normalerweise werden die Elektrodenkammern durch die Verwendung eines verdünnten Elektrolyten,
wie z. B. Salpetersäure, gereinigt. Bei dieser Apparatur
hat es sich jedoch als möglich erwiesen, diese Spülung dadurch zu bewirken, daß ein Mischbett in jeder der
Elektrodenkammern vorgesehen wird und die Spülung mit dem Zellen-Deionat-Ablaufstrom durchgeführt
wird. Eine Elektrodenspülleitung 71 stellt eine strömungstechnische
Verbindung zwischen einem Spüleintritt 7Z den Anoden 14,31, 70, den Kathoden 27,44 und
dem Spülabzug 73 her. um Schmutzstoffe, Gase und dergleichen, aus den Anoden- und Kathodengebilden
herauszuspülen und dadurch beizutragen, den Wirkungsgrad der Einrichtung aufrechtzuerhalten.
Die Flüssigkeit wird der Apparatur durch einen Aufgabeguteintritt 74 zugeführt, um in der Richtung zu
strömen, die durch einen Pfeil neben dem Eintritt 74 angedeutet ist; der Strömungsweg schließt dabei die
Aufgabeguteintrittskammer 23, eine Leitung 75, die Aufgabegutkammer 5Z eine Leitung 76, die Aufgabegutkammer
36, eine Leitung 77, die Aufgabegutkammer 61 und eine Aufgabegutabzugsleitung 80 ein.
In dem in F i g. 1 dargestellten erläuternden Beispiel
der Erfindung tritt das Anolytmedium in die Apparatur über eine Anolyteintrittsleitung 81 ein und strömt in
Richtung des Pfeils neben der Leitung 81 durch die AnoiytkarnrTiCr 6Z eine Leitung 82, die Ar.oiytkarnmcr
33, eine Leitung 83, die Anolytkammer 53, eine Leitung 84, die Anolytkammer 16 und über eine Anolytabzugslcitung
85 aus der Apparatur heraus.
Der Strömungsweg für den Katholyten beginnt an
der Katholyteintrittsleitung 86 und setzt sich in Richtung des Pfeils neben der Leitung 86 fort durch die
·> Katholytkammer 56, eine Leitung 87, die Katholytkammcr
40, eine Leitung 90, die Katholytkammer 50, eine Leitung 91, die Katholytkammer 25 und über eine
Katholytabzugsleitung 92 aus der Apparatur heraus.
Die Strömungsschaltung in Reihe mit mehreren
in Zellen kann in Abhängigkeit von dem Grad der chemischen Konzentrationsfaktoren gestaltet werden,
die in den Anolyt- und Katholytströmen gewünscht werden. In gleicher Weise wird der Reinheitsgrad, der
für den Ablauf aus der Mischbettkammer gewünscht
r. wird, die Anzahl der erforderlichen Kammerreihenschaltungen
bestimmen. Umgekehrt kann eine Parallelströmungsschaltung entsprechend den Anforderungen
an die Leistung des Verfahrens ausgebildet werden.
Um die Arbeitsweise und den lonentransportvorgang
Um die Arbeitsweise und den lonentransportvorgang
:ii eines die Grundsätze der F.rfindung beinhaltenden
typischen System im einzelnen besser verstehen zu können, wird auf die F i g. 2 verweisen, die einen Teil der
Aufgabeguteintrittskammer 23, die Katholytkammer 25, die Anolytkammer 16, die Kathode 27 und die Anode 14
>-i zeigt. Das Mischbett 22, das zwischen der Anionmembrane
21 und der Kationmembrane 24 eingeschlossen ist, besteht aus einer Gruppe allgemein kugelförmiger
Kationb-rzperlen 93 und den in gleicher Weise geformten Anionharzperlen 94. Außerdem ist innerhalb
«ι der Anolytkammer in Übereinstimmung mit einem
Merkmal der Erfindung die Anionharzschicht 20, die aus einer Masse Anionharzkugeln 95 besteht, zwischen der
Anionmembrane 21 und der Kationmembrane 17 eingeschlossen.
;·; Die Katholytkammer 25 schließt auch eine Schar Kationharzkugeln 96 ein, die die Kationharzschicht 26
für diese Kammer bilden. Wie bereits zuvor erwähnt, ist die Kationharzschicht 26 zwischen der Kationmembrane
24 und der Anionmembrane 30 eingeschlossen, die
4.1 die Katholytkammer 25 von der negativ geladenen
Kathode 27 trennt.
Auf der Grundlage einer bestimmten erläuternden Darstellung der vorliegenden Erfindung fließt im
Betrieb ein Aufgabegut, welches ionisierte Borsäure
r, H3BO3 und ionisiertes Lithium-7 Hydroxyd Li7OH
enthält, in die Aufgabegut-Eintrittskammer in Richtung des Pfeiles 97. In diesem ionisierten Zustand enthält das
Aufgabegut positiv geladene Wasserstoff-(H+) und Lithium-(Li+) Kationen sowie negativ geladene Borat-
n (BO-. BO3- und B3O3-)und Hydroxyd-(OH-)Anionen.
Es ergibt sich, daß die Borationen aus der Lrung
durch Verdrängen der Hydroxydionen auf den Anionkugeln
94 entfernt werden. In gleicher Weise verdrängt das ionisierte Lithium H+-Ionen auf den Kationkugeln
v. 93. An der Verbindung 100 zwischen den Kationharzkugeln
93 und der Anionmembrane 21 sowie an der Verbindung 103 zwischen den Anionharzkugeln 94 und
der Kationmembrane 24 werden die Wassermoleküle zersetzt, wodurch OH-- und H+-Ionen erzeugt werden.
mi Unter diesen Umständen wandern die OH--Ionen zu
der positiv geladenen Anode 14. Die H+-Ionen dagegen wandern zur negativ geladenen Kathode 27.
Während dieser Wanderung verdrängen diese Ionen ihre Lithium- und Borationen-Partner von den Harzku-
<-■; geln 93 bzw. 94, wodurch die betreffenden Harze
elektrolytisch regenerier; werden. Das verdrängte Lithiumkation transportiert einen T;.;' .k:. elektrischen
Stroms durch die Harzkugelkette und durch die
Kationmembrane 24, um sich in der Kaihoiytkammer 23
zu konzentrieren. Hydroxydionen, die in der kathodischen Reaktion zwischen Wasser und der Kathode 27
erzeugt werden, ,vandern außerdem durch die Anionmembrane 30 aus einem Spülmedium, das die Kathode '■
27 überspült. Diese Hydroxydionen konzentrieren sich in der Katholytkammer 25, die, wie man sich erinnern
wird, *'ie Kationharzschicht 26 enthält. Wasserstoffionen wavidern auch durch die Katiomnembrane 24 und
sammeln sich in der Katholytkammer 25, wodurch sie sich wieder mit Hydroxydionen verbinden und Wasser
bilden. Das Ergebnis der kathodischen Reaktion an der Kathode 27 ist die Entwicklung von Wasserstoffgas und
die Bildung des Hydroxydions. Das gemeinsame Ergebnis der Lithiumwanderung durch die Kationmem- r>
brane 24 und der Hydroxydionenwanderung durch die Anionenmenbrane 30 ist die Bildung von Lithiumhydroxyd. Die Kationharv.chicht 26 wird sich anfänglich mit
den ü'.hi'jm'onen tauigen und ein Lösungs-/Harz-Gleichgewicht erreichen. Alle zusätzlichen verschmut- 2<i
zenden Kationen, die durch die Kationmembrane 24 wandern, werden an der Kationharzschicht 26 absorbiert, wodurch eine kationgereinigte Lithiumhydroxydlösung in der Katholytkammer 23 gebildet wird. Man
wird sich daran erinnern, daß, Lithium-7 eines der λ
Produkte der Neutroncn-Bor-Reaktion im Reaktorkern ist und daß diese Ltihiumisotope in konzentrierter Form
eine Mangelware ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die der anfänglichen Wasserfüllung für
das Reaktorkernkühlmittel hinzugefügte Lithium'-Iso- )··
tope aufbewahrt und es wird auch das zusätzliche Lithium-' gesammelt, welches durch die Neutronen-Bor-Reation erzeugt wird. Unter diesen Umständen
bietet das erfindungsgemäße Verfahren die langfristige Möglichkeit, nicht nur eine Lithium-'-Autarkie herzu- )5
stellen, sondern auch vielleicht einen gewissen Lithium-'-Überschuß zu erzeugen.
In einer etwas ähnlichen Weise wandern die Borat-
und Hydroxydanionen durch die Anionharzkugeln 94 und durch die Anionmembrane 21. An der Verbindung 4n
103 zwischen den Anionharzkugeln 94 und der Kationmetnbrane 24 werden die Wassermoleküle auch
zersetzt und erzeugen OH-- und H--Ionen. Unter diesen Umständen wandert das Hydroxydion durch die
Anionharzkugeln 94 und verdrängt die Borationen. Das verdrängte Boration transportiert einen Teil des
elektrischen Stroms durch die Harzkugelkette und durch die Anionmembrane 21, wodurch die Borationen
sich in der Anionkammer konzentrieren. Bei der anodischen Reaktion zwischen Wasser und der Anode
14 erzeugte Wasserstoffione wandern gleichzeitig durch die Kationmembrane 17 in die Anolytkammer 16,
wodurch ein konzentrierter Borsäurestrom (HjBOj)
gebildet wird. Die anodische Reaktion zwischen Wasser
und der Anode 14 (Elektrolyse) erzeugt auch Sauerstoffgas, welches durch einen kontinuierlichen Spülbetrieb
herausgespült wird.
Das gemeinsame Ergebnis der Boratwanderung durch die Anionmembrane 21 und der H+-Ionenwanderung durch die Kationmembrane 17 ist die Bildung von
Borsäure in der Anolytkammer 16, die, wie man sich
erinnern wird, die Anionharzschicht 20 enthält. Das Anionharz wird sich anfänglich mit den Borationen
sättigen und ein Lösungs-/Harz-Gleichgewicht erreichen. ADe zusätzlichen verschmutzenden Anionen, die
durch die Anksnmembrane 21 wandern, werden von der
Anionharzschicht 20 absorbiert, wodurch eine aniongereinigte Borsäurelösung in der Anolytkammer 16
gebildet wird.
Wenn die Anion- und Kation-Schmutzstoffe eine Sättigungshöhe auf der Anionharzschichl 20 bzw. der
Kationharzschicht 26 erreichen, dann werden sich diese lone in den Lösungsströmen sowohl in der Anolytkammer 16 als auch in der Katholytkammer 23 sammeln.
Wenn dies durch analytische Verfahren festgestellt wird, dann wird die Polarität des Zellenapparates
umgesteuert, wodurch die Elektrode 14 in eine Kathode verwandelt wird und die Elektrode 27 in eine Anode.
Dieser Prozeß mit umgekehrter Polarität wird die Anionharzkugeln 93 regenerieren, und gleichzeitig
werden die ausgewaschenen, verschmutzenden Anionen einen Teil des elektrischen Stroms von der
Anolytkammer 16 durch die Anionmembrane 21 in die Aufgabegutkammer 23 transportieren, wodurch diese
ausgewaschenen Anionen aus dem System mit Aufgabelösungsstrom gespült werden.
Ebenfalls während des Betriebs mit umgekehrter Polarität werden die Kationharzkugeln 96, die sich in
der Katholytkammer 23 befinden, regeneriert, und die ausgewaschenen, verschmutzenden Kationen werden
einen Teil des elektrischen Stroms aus der Katholytkammer 23 durch die Kationmembrane 24 in die
Aufgabegutkammer 23 transportieren, wodurch die verschmutzenden Kationen aus dem System mit
Aufgabeiösungsstrom, gemäß Richtung des Pfeils 97, gespült werden.
Während des normalen Betriebs, d. h. nicht bei der Betriebsart mit umgekehrter Polarität, ist der Ablauf aus
der Aufgabeguteintrittskammer 23 im wesentlichen deionisiertes Wasser.
Infolgedessen wird in Übereinstimmung mit der bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein typischer Zellenströmungsweg ein kontinuierliches Verfahren für die Erzeugung von Endprodukten
darstellen, die aus getrennten und gereinigten Strömen konzentrierter Borsäure, deionisierten Wassers und
konzentrierten Lithiumhydroxyds aus den jeweiligen Kammern 16,23 und 25 bestehen.
Natürlich werden, wie bereits oben erwähnt, die Anoden und Kathoden kontinuierlich gespült, um
Verunreinigungen zu entfernen, und die bei den Elektrodenreaktionen erzeugten Gase werden auch
kontinuierlich herausgespült. In typischer Weise werden
3 bis 5 Gew.-% Borsäure in dem Medium aufrechterhalten, das aus den Anolytkammern strömt, und es werden
1000 bis 5000 ppm Lithium-'-Hydroxyd in dem Strom aus den Katholytkammem aufrechterhalten.
Es sei daran erinnert, daß Tritium beim Spaltverfahren sowie bei Neutronenreaktionen mit löslichen
Chemikalien innerhalb des Rtaktorkerns erzeugt wird und daß diese Wasserstoffisotope gewisse Probleme für
db Gesundheit und die Umwelt schafft
Ein bevorzugter Austausch von »tritiumoxydhaltigem Wasser« (d. h. Wassermoleküle, in denen die Tritiumisotope des Elements Wasserstoff eine chemische Verbindung mit Sauerstoff eingegangen ist) mit gewissen
Mineralarten ist festgestellt worden. Diese seltsame Erscheinung ist besonders in Verbindung mit Ton
bekannt geworden. Der genaue Vorgang ist noch nicht völlig klar, jedoch scheint eine Theorie zu besagen, daß
in Kaolinittonen z. B. das Tritium Aluminium aus den festen Gitterplätzen verdrängt, wodurch die Aluminiumatome in dem Tongeffige von festen zu Austauschpositionen wandern. Eine Verstärkung des bevorzugten
Tritiumabscheideverfahrens kann durch Ionisierung und den lonentransportprozeß angeregt werden.
Außerdem ist die Elektrodialyse ein Verfahren, das benutzt werden kann, um den Ionenaustausch zu
verstärken. Der oben in Verbindung mit den F i g. I und 2 beschriebene Zellenaufbau bildet eine Einrichtung, die
für Elektrodialyse geeignet ist. Wenn man Kugeln aus Kaolinitton oder aus einem anderen geeigneten
Material, das vorzugsweise Tritium absorbiert, an Stelle des in F i g. 2 gezeigten Mischbettes 22 verwendet, dann
kann man t.iter diesen Umständen ein verbessertes
Verfahren schaffen, um kontinuierlich Tritium aus dem Reaktorkern-KUhlmittel in einer Weise abzuziehen, die
das Tritiumbeseitigungsproblem vereinfacht oder das
Tritium zur Extraktion und Weiterverwendung leichter
zur Verfügung stellt,
Je nach dei,: angesirebten Reinigungsgrad können
natürlich weitere Zellen der Reihe hinzugefügt werden, die in Fig. I dargestellt ist. In Abhängigkeit von dem
beabsichtigten Verwendungszweck kann außerdem bzw. können außerdem eine oder mehrere der Anion-
und Kationsharzschichten, die das obige bestimmte Beispiel kennzeichnen, aus dem Zellenaufbau herausgenommen oder, je nach den Umständen, wechselseitig
ausgetauscht werden.
Claims (6)
1. Zellenaufbau zum Trennen einer ionisierten Lösung in Ströme konzentrierter Säure, konzentrierter Lauge und deionisiertem Mediums, gekennzeichnet durch ein Mischbett aus
Anion- und Kationharz, eine Anionmembrane, die eine Trennwand für eine Seite des Mischbettes
bildet, eine Kationmembrane, die eine Trennwand für die andere Seite des Mischbettes bildet, eine
Anionharzschicht neben der Anionmembrane, eine Kationmembrane, die eine Trennwand für eine
andere Seite der Anionharzschicht bildet, eine Anode, die mit Abstand von der Anionharzschicht
und der Kationmembrane angeordnet ist, eine Kationsharzschicht die neben der Kationmembrane
angeordnet ist, weiche eine Trennwand für die andere Seite des Mischbettes bildet eine Anionmembrane, die eine Trennwand für eine andere Seite
der Kationharzschicht bildet und eine Kathode; die mit Abstaut! von der Kationharzschicht und der
Ankmrricrribranc angeordnet ist, v/elche eine Trennwand für die Kationharzschicht bildet
2. Zellenaufbau nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet daß anstelle des Mischbetts aus Anion- und
Kationharz Ton eingesetzt ist
3. Zellenaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der eingesetzte Ton Koalinitton ist
4. Zellenaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der eingesetzte Ton kristalliner
Struktur ist die Aluminium enthält
5. Verwenc 'ng des Zellenaufbau nach einem der
vorhergehenden Ansprüche zur Reinigung eines Reaklorkem-Kühlwasscrs.
6. Verwendung des Zerleviaufbaus nach einem der
Ansprüche 2 bis 4 zur Entfernung von Tritium aus Wasser.
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