RU2656017C2 - Способ электролитического обогащения тяжелой воды - Google Patents
Способ электролитического обогащения тяжелой воды Download PDFInfo
- Publication number
- RU2656017C2 RU2656017C2 RU2016106887A RU2016106887A RU2656017C2 RU 2656017 C2 RU2656017 C2 RU 2656017C2 RU 2016106887 A RU2016106887 A RU 2016106887A RU 2016106887 A RU2016106887 A RU 2016106887A RU 2656017 C2 RU2656017 C2 RU 2656017C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- electrolyte
- electrolysis
- anode
- cathode
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N Heavy water Chemical compound [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 title claims abstract description 92
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 41
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 128
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 92
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 69
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 40
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 32
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 29
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims description 51
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 claims description 24
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 11
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 claims description 7
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 25
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 25
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 abstract 1
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 21
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 9
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 235000011121 sodium hydroxide Nutrition 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N Deuterium Chemical compound [2H] YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 229910052805 deuterium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 239000003518 caustics Substances 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- 230000000155 isotopic effect Effects 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000002901 radioactive waste Substances 0.000 description 2
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229920003935 Flemion® Polymers 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000006182 cathode active material Substances 0.000 description 1
- 239000003729 cation exchange resin Substances 0.000 description 1
- 229940023913 cation exchange resins Drugs 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000005194 fractionation Methods 0.000 description 1
- 239000008246 gaseous mixture Substances 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000008239 natural water Substances 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000012488 sample solution Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
- B01D59/38—Separation by electrochemical methods
- B01D59/40—Separation by electrochemical methods by electrolysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
- C01B13/02—Preparation of oxygen
- C01B13/0203—Preparation of oxygen from inorganic compounds
- C01B13/0207—Water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B5/00—Water
- C01B5/02—Heavy water; Preparation by chemical reaction of hydrogen isotopes or their compounds, e.g. 4ND3 + 7O2 ---> 4NO2 + 6D2O, 2D2 + O2 ---> 2D2O
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
- G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
- G21F9/007—Recovery of isotopes from radioactive waste, e.g. fission products
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
- G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
- G21F9/04—Treating liquids
- G21F9/06—Processing
- G21F9/08—Processing by evaporation; by distillation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/4618—Devices therefor; Their operating or servicing for producing "ionised" acidic or basic water
- C02F2001/4619—Devices therefor; Their operating or servicing for producing "ionised" acidic or basic water only cathodic or alkaline water, e.g. for reducing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
- C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
- C02F2201/461—Electrolysis apparatus
- C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
- C02F2201/4618—Supplying or removing reactants or electrolyte
- C02F2201/46185—Recycling the cathodic or anodic feed
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Изобретение относится к электрохимии и водоподготовке. Для обогащения тяжелой воды щелочную воду 7 и исходную воду 10 смешивают в циркуляционном резервуаре 5 с образованием электролита 16. Электролит 16 подают в анодную и катодную камеры 2 и 3 ячейки 1 электролиза щелочной воды соответственно через циркуляционные насосы 12a и 12b и теплообменники 13a и 13b. В анодной камере 2 получают обогащенный электролит и газообразный кислород, которые разделяют на газ и жидкость газожидкостным сепаратором 14a с возвратом отделенного электролита в циркуляционный резервуар 5. Кислород удаляют через гидравлический затвор 15a анодной стороны. В катодной камере 3 образуется газообразный водород. Водород и электролит разделяются на газ и жидкость газожидкостным сепаратором 14b, и отделенный электролит возвращается в циркуляционный резервуар 5. Водород удаляют через гидравлический затвор 15b катодной стороны. Обеспечивается получение водорода и кислорода высокой чистоты. 8 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 ил.
Description
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к способу электролитического обогащения тяжелой воды, в котором тяжелую воду обогащают электролизом с помощью ячейки электролиза щелочной воды.
2. ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] Тяжелая вода является водой, содержащей много изотопных молекул воды с большими массовыми числами и с более высоким удельным весом, чем обычная вода. Тяжелая вода имеет физические и химические свойства, слегка отличающиеся от аналогичных свойств обычной воды. Обычная вода называется «легкой водой» в отличие от тяжелой воды. Тяжелая вода содержит изотопы водорода, такие как дейтерий (D, 2H) и тритий (T, 3H), и изотопы кислорода 17O и 18O.
В области определения безопасности атомных электростанций, прогноза перемещений земной коры, измерения систем геотермальных источников подземных вод и т.п. становится важным анализ дейтерия (D, 2H) и трития (T, 3H) в природной воде. Концентрация трития имеет очень низкий уровень, и поэтому обычно проводится электролитическое обогащение для улучшения точности измерения. Общеизвестный способ электролитического обогащения тяжелой воды включает в себя приготовление раствора образца, в котором растворен электролит, и проведение электролиза этого раствора с использованием плоских пластин, размещенных напротив друг к другу. Содержащаяся в электролите вода содержит HOD и HOT в дополнение к H2O, и они разлагаются на водород и кислород в соответствии с обычным электролизом воды, но H2O разлагается предпочтительнее разложению HOD и HOT вследствие изотопного эффекта, что увеличивает концентрации дейтерия и трития в электролите, приводя к обогащению. При таком электролизе в качестве анода используется никель, а в качестве катода - сталь, железо или никель, и эти электроды промывают и используют для электролиза в условиях переноса тока в стеклянном контейнере, который содержит образец воды, подготовленный путем добавления разбавленного гидроксида натрия в качестве фоновой соли к водному раствору, содержащему тяжелую воду. Тяжелую воду обычно обогащают путем продолжения электролиза с плотностью тока от 1 до 10 A/дм2 до тех пор, пока количество жидкости не станет равным 1/10 или меньше, в то время как температуру раствора поддерживают на уровне 5°C или меньше для того, чтобы предотвратить испарение воды вследствие вырабатываемого при этом тепла.
[0003] То есть при электролитическом обогащении используется то свойство, что тритиевая вода подвергается электролизу меньше, чем вода с легким водородом. Способ электролиза, использующий металлические электроды, помещенные в щелочной водный раствор, уже был многократно изучен и публично стандартизирован в руководстве в качестве стандартного способа. Этот способ включает в себя одноступенчатое обогащение по концентрации трития. Однако на практике обычный способ электролитического обогащения обладает некоторыми проблемами. Эти проблемы заключаются в сложных экспериментальных операциях, ограниченном верхним пределом концентрации электролита коэффициенте обогащения трития, опасности взрыва вследствие возникновения газообразной смеси водорода и кислорода, большой продолжительности времени, требуемого для электролиза, а также непригодности для обработки с большой пропускной способностью.
Так как методика рассматривается с учетом одноступенчатого разделения и захвата разбавленного включения, эти проблемы обусловлены сложностью обращения с водным щелочным раствором электролита, трудностью в разделении газов, образующихся на обоих электродах, трудностью увеличения тока электролиза из-за образования пузырей на металлической поверхности и т.д., которые вызываются, главным образом, общим способом электролиза водного щелочного раствора.
[0004] С другой стороны, способом электролиза воды, привлекающим внимание в последнее время, является способ электролиза воды (именуемый в дальнейшем «SPE-электролиз воды»), использующий твердый полимерный электролит (именуемый в дальнейшем «SPE»). В начале 1970-х годов американская компания «General Electric» первой применила технологию топливных элементов к SPE-электролизу воды таким образом, что участок электролиза со структурой, включающей удерживаемую между пористыми металлическими электродами мембрану SPE, погружается в чистую воду, и электролиз выполняется только путем пропускания тока, с выделением образующегося при разложении газа из пористых электродов. SPE является одним из типов катионообменных смол и имеет полимерную цепь, с которой химически связаны группы сульфоновой кислоты, способствующие ионной проводимости. При прохождении тока между обоими электродами вода разлагается и на аноде образуется газообразный кислород, генерируя ионы водорода. Ионы водорода перемещаются через группы сульфоновой кислоты в SPE, достигают катода и принимают электроны, образуя газообразный водород. SPE, по-видимому, сохраняется в твердом состоянии без каких-либо изменений. Когда SPE используется для электролитического обогащения трития, можно ожидать следующих преимуществ по сравнению с обычными способами.
1). Разлагаться может непосредственно дистиллированная вода. То есть растворение, нейтрализация и удаление электролита, которые являются существенными для способа электролиза щелочного водного раствора, не нужны, и коэффициент уменьшения объема образца воды становится в принципе неограниченным.
2). Поверхность электродов не покрывается пузырьками, и поэтому электролиз может быть выполнен с большим током, что сокращает время электролиза.
3). Так как газообразный водород и газообразный кислород производятся раздельно с обеих сторон мембраны SPE, эти газы могут быть легко обработаны. Это намного более безопасно, чем обычный способ, включающий обработку взрывоопасного смешанного газа.
Кроме того, заявитель предложил способ электролитического обогащения тяжелой воды с помощью SPE-электролиза воды в публикациях японских непроверенных патентных заявок №№ 8-26703 (патент № 3406390) и 8-323154 (патент № 3977446), а также в публикации «Tritium Electrolytic Enrichment using Solid Polymer Electrolyte» (RADIOISOTOPES, Vol. 45, No. 5, May 1996 (issued by Japan Radioisotope Association).
[0005] Однако предложенный в этих документах способ может быть применен в аналитическом устройстве и мелкомасштабном обогащении, но не подходит для крупномасштабной обработки. Электрический ток не течет через электролит, потому что используемым электролитом является чистая вода, и поэтому твердая полимерная мембрана, используемая в качестве компонента, должна быть сильно сжата анодом и катодом с поверхностным давлением, соответствующим величине от 20 до 30 кг/см2. Следовательно, элементы электролизной ячейки обязаны иметь высокую прочность, и с учетом экономики и работоспособности нереалистично обеспечить большую площадь реакции в 1 м2 или больше, вызывая тем самым нежелательное увеличение стоимости оборудования для электролитического обогащения и фракционирования исходной воды, содержащей большое количество тяжелой воды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Соответственно, целью настоящего изобретения является решение проблем предшествующего уровня техники и предложение способа электролитического обогащения тяжелой воды, способного электролитически обогащать и фракционировать исходную воду, содержащую большое количество тяжелой воды, с помощью способа электролиза щелочной воды, а также способного производить газообразный водород высокой чистоты и/или газообразный кислород высокой чистоты.
[0009] Для того чтобы достичь этой цели, первое средство решения по настоящему изобретению заключается в том, чтобы предложить способ электролитического обогащения тяжелой воды, включающий в себя обогащение тяжелой воды электролизом с помощью ячейки электролиза щелочной воды, которая включает в себя анодную камеру, которая удерживает анод, катодную камеру, которая удерживает катод, и диафрагму, которая разделяет анодную камеру и катодную камеру. В способе электролитического обогащения электролит, приготовленный добавлением воды с высокой концентрацией щелочи к исходной воде, содержащей тритийсодержащую тяжелую воду, циркуляционно подают в обе камеры электролиза, включая анодную камеру и катодную камеру, из циркуляционного резервуара, содержащего электролит; с анодной камерой соединены газожидкостный сепаратор анодной стороны и гидравлический затвор анодной стороны, а с катодной камерой соединены газожидкостный сепаратор катодной стороны и гидравлический затвор катодной стороны; и электролиз продолжают в то время, как концентрацию щелочи в электролите, подаваемом в обе камеры электролиза, поддерживают на постоянном уровне концентрации за счет циркуляционной подачи в циркуляционный резервуар электролита, из которого отделен газ, производимый в каждом из газожидкостного сепаратора анодной стороны и газожидкостного сепаратора катодной стороны, тем самым обогащая тяжелую воду в электролите. В то же самое время, газообразный водород извлекается или выпускается из газожидкостного сепаратора катодной стороны, а газообразный кислород извлекается или выпускается из газожидкостного сепаратора анодной стороны.
[0010] Для того чтобы достичь этой цели, второе средство решения по настоящему изобретению заключается в том, чтобы предложить способ электролитического обогащения тяжелой воды, в котором электролиз продолжают в то время, как концентрацию щелочи в электролите поддерживают на первоначальном уровне концентрации путем подачи в циркуляционный резервуар исходной воды в количестве, соответствующем воде, исчезающей вследствие электролиза.
[0011] Для того чтобы достичь этой цели, третье средство решения по настоящему изобретению заключается в том, чтобы предложить способ электролитического обогащения тяжелой воды, в котором концентрация щелочи в электролите составляет от 1,5% до 40% по массе.
[0012] Для того чтобы достичь этой цели, четвертое средство решения по настоящему изобретению заключается в том, чтобы предложить способ электролитического обогащения тяжелой воды, в котором концентрация щелочи в электролите составляет от 20% до 30% по массе.
[0013] Для того чтобы достичь этой цели, пятое средство решения по настоящему изобретению заключается в том, чтобы предложить способ электролитического обогащения тяжелой воды, в котором электролиз продолжают в то время, как концентрацию щелочи в электролите поддерживают на постоянном уровне концентрации путем подачи исходной воды в циркуляционный резервуар так, чтобы концентрация щелочи в электролите не превышала 40% по массе.
[0014] Для того чтобы достичь этой цели, шестое средство решения по настоящему изобретению заключается в том, чтобы предложить способ электролитического обогащения тяжелой воды, в котором электролиз продолжают в то время, как концентрацию щелочи в электролите поддерживают на постоянном уровне концентрации путем подачи исходной воды в циркуляционный резервуар так, чтобы концентрация щелочи в электролите не превышала 30% по массе.
[0015] Для того чтобы достичь этой цели, седьмое средство решения по настоящему изобретению заключается в том, чтобы предложить способ электролитического обогащения тяжелой воды, в котором давление в катодной камере и давление в анодной камере регулируют путем регулирования высоты поверхности воды в гидравлическом затворе катодной стороны и высоты поверхности воды в гидравлическом затворе анодной стороны соответственно, чтобы управлять долей газообразного кислорода, произведенного в анодной камере и смешиваемого с газообразным водородом, произведенным в катодной камере, и/или долей газообразного водорода, произведенного в катодной камере и смешиваемого с газообразным кислородом, произведенным в анодной камере.
[0016] Для того чтобы достичь этой цели, восьмое средство решения по настоящему изобретению заключается в том, чтобы предложить способ электролитического обогащения тяжелой воды, в котором диафрагма представляет собой нейтральную диафрагму.
[0017] Для того чтобы достичь этой цели, девятое средство решения по настоящему изобретения заключается в том, чтобы предложить способ электролитического обогащения тяжелой воды, в котором диафрагма представляет собой катионообменную мембрану.
[0018] В соответствии с настоящим изобретением радиоактивные отходы, содержащие большое количество трития, могут быть эффективно обогащены и фракционированы с помощью электролиза щелочной воды и могут быть эффективно получены обладающие высокой чистотой и высокой концентрацией газообразный водород и/или газообразный кислород.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением анодная камера и катодная камера предусмотрены с обеих сторон диафрагмы, и общий щелочной электролит циркуляционно подают в анодную камеру и катодную камеру из одного циркуляционного резервуара так, чтобы в работающей системе концентрации щелочи в анодной камере и в катодной камере можно было всегда поддерживать на одном и том же уровне концентрации путем возврата в один и тот же циркуляционный резервуар и поддержания в нем электролита, выходящего из каждой из анодной и катодной камер после электролиза электролита, который уменьшает концентрацию щелочи в анодной камере и увеличивает концентрацию щелочи в катодной камере. Кроме того, концентрация щелочи в системе всегда может поддерживаться при заранее заданном начальном условии за счет подачи исходной воды в количестве, соответствующем воде, исчезающей в результате электролиза. В любом случае, способ эксплуатации процесса электролиза щелочной воды с циркуляцией является эффективным способом работы, поскольку многоцелевое операционное управление периодической работой и непрерывной работой установки может быть реализовано в соответствии с целями эксплуатации установки лишь за счет регулирования заранее заданной концентрации щелочи на ранней стадии работы. Кроме того, операционное управление не является сложным, и поэтому может быть осуществлена безопасная работа на уровне установки. С другой стороны, когда концентрацией щелочи становится невозможно управлять при заранее заданных условиях, напряжение ячейки изменяется с изменениями концентрации щелочи, тем самым изменяя количество тепла, выделяющегося за счет джоулевой теплоты. Когда температура ячейки увеличивается, количество испаряющейся воды увеличивается, а значит, и условия охлаждения также изменяются. Следовательно, изменение концентрации щелочи является нежелательным из-за изменений в условиях работы при изменении концентрации щелочи. Однако эта проблема может быть решена с помощью электролиза щелочной воды в соответствии с настоящим изобретением.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением тяжелая вода может быть эффективно обогащена путем электролиза щелочной воды с электролитом при концентрации щелочи от 1,5% до 4% по массе. Непрерывный электролиз воды позволяет достичь теоретического желаемого уменьшения объема, тем самым обеспечивая возможность обогащения до желаемого значения.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением в процессе электролиза, когда анодный газ и катодный газ отделяются каждый по отдельности газожидкостным сепаратором, затем проходят через гидравлический затвор и выпускаются, долей газообразного кислорода, произведенного в анодной камере и переданного в катодную камеру, можно управлять путем управления давлением газа на катодной стороне так, чтобы оно было более высоким или более низким, чем давление газа на анодной стороне. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением процессом электролиза можно управлять в пределах взрывобезопасности путем управления соотношением смешения газообразных кислорода и водорода, тем самым уменьшая опасность взрыва и производя газообразный водород высокой чистоты и/или газообразный кислород высокой чистоты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0019] Фиг. 1 представляет собой технологическую схему, иллюстрирующую способ электролитического обогащения тяжелой воды в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0020] Далее один вариант осуществления настоящего изобретения будет описан со ссылкой на чертеж.
[0021] Фиг. 1 представляет собой технологическую схему, иллюстрирующую способ электролитического обогащения тяжелой воды в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. На Фиг. 1 позиция 1 обозначает ячейку электролиза щелочной воды, и эта ячейка 1 электролиза щелочной воды включает в себя анодную камеру 2, которая удерживает анод, катодную камеру 3, которая удерживает катод, и диафрагму 4, которая разделяет анодную камеру 2 и катодную камеру 3. Позиция 5 обозначает циркуляционный резервуар; позиция 6 - резервуар щелочной воды, который хранит щелочную воду 7 с высокой концентрацией щелочи, обычно требуемую только для регулировки первоначального щелочного электролита; позиция 8 - подающий насос, который подает щелочную воду 7, хранящуюся в резервуаре 6 щелочной воды, в циркуляционный резервуар 5; позиция 9 - резервуар сырья, который хранит исходную воду 10; и позиция 11 - подающий насос, который подает исходную воду 10, хранящуюся в резервуаре 9 сырья, в циркуляционный резервуар 5. Щелочная вода 7 и исходная вода 10 смешиваются в циркуляционном резервуаре 5 с образованием электролита 16, представляющего собой щелочную воду с заранее заданной концентрацией.
Электролит, доводимый до заранее заданной концентрации путем смешивания в циркуляционном резервуаре 5, подается в анодную камеру 2 ячейки 1 электролиза щелочной воды через циркуляционный насос 12a и теплообменник 13a и подается в катодную камеру 3 ячейки 1 электролиза щелочной воды через циркуляционный насос 12b и теплообменник 13b.
Электролит, доведенный до заранее заданной концентрации щелочной воды, подвергается электролизу в анодной камере 2 и обогащается электролизом с получением обогащенного электролита, а в анодной камере 2 образуется газообразный кислород. Образовавшийся газообразный кислород и электролит разделяются на газ и жидкость газожидкостным сепаратором 14a, и отделенный электролит возвращается в циркуляционный резервуар 5. Газообразный кислород, отделенный газожидкостным сепаратором 14a анодной стороны, удаляется через гидравлический затвор 15a анодной стороны.
В то же самое время в катодной камере 3 образуется газообразный водород. Образовавшийся газообразный водород и электролит разделяются на газ и жидкость газожидкостным сепаратором 14b, и отделенный электролит возвращается в циркуляционный резервуар 5. Газообразный водород, отделенный газожидкостным сепаратором 14b катодной стороны, удаляется через гидравлический затвор 15b катодной стороны. В дополнение к этому, вода подается в качестве исходной воды из резервуара 9 сырья путем подачи исходной воды в количестве, соответствующем воде, исчезающей в результате электролиза, для того чтобы продолжить электролиз при поддержании постоянными условий электролиза и чтобы управлять концентрациями щелочи в обеих камерах электролиза.
Электролит с первоначально отрегулированной концентрацией щелочи может поддерживаться путем непрерывной подачи исходной воды в количестве, соответствующем воде, исчезающей в результате электролиза. С другой стороны, также может осуществляться прерывистая работа с уменьшением объема электролита (обрабатываемой исходной воды) путем прерывистой циркуляции щелочной воды при электролизе без непрерывной подачи исходной воды.
Условия электролиза щелочной воды
[0022] При электролизе щелочной воды в соответствии с настоящим изобретением в качестве электролита используется электролит, приготовленный добавлением воды с высокой концентрации щелочи к исходной воде, состоящей из содержащей тритий тяжелой воды, так, чтобы была получена заранее заданная концентрация щелочи. Электролит предпочтительно является едкой щелочью, такой как едкий калий, едкий натрий или т.п., и его концентрация предпочтительно составляет от 1,5% до 40% по массе. В частности, принимая во внимание снижение потребления электроэнергии, предпочтительна концентрация от 15% до 40% по массе в пределах области с высокой электропроводностью. Однако, принимая во внимание затраты на электролиз, коррозионную стойкость, вязкость и технологичность, концентрация более предпочтительно составляет от 20% до 30% по массе.
Концентрация воды с высокой концентрацией щелочи, добавляемой к исходной воде, предпочтительно составляет от 10% до 30% по массе.
Способ работы при постоянной концентрации щелочи включает в себя, например, непрерывную подачу исходной воды в количестве, соответствующем количеству воды, потребленной после регулировки первоначальной концентрации щелочи. Когда желательна прерывистая работа для уменьшения объема обрабатываемой исходной воды, может использоваться способ проверки уменьшения количества первоначально отрегулированного электролита. В этом случае первоначально отрегулированная концентрация щелочи увеличивается пропорционально уменьшению количества воды.
В качестве области концентрации щелочи нежелательной является область, в которой сопротивление жидкости увеличивается. Например, когда концентрация щелочи превышает 40 % по массе, имеется тенденция к затруднению удаления образующихся газов из электролита (из-за увеличения вязкости жидкости), а значит, напряжение ячейки увеличивается, приводя к увеличению температуры ячейки вследствие выделения джоулевой теплоты и необходимости в избыточном операционном управлении, таком как потребность в охлаждении электролита или т.п.
Следовательно, поскольку концентрация щелочи увеличивается при обогащении исходной воды, предпочтительно, чтобы концентрация щелочи сохранялась постоянной путем добавления исходной воды так, чтобы концентрация щелочи не превышала 40% по массе или 30% по массе.
В настоящем изобретении, принимая во внимание экономику, тяжелая вода обогащается примерно в 10 раз за счет электролитического уменьшения объема, и если первоначальная концентрация тяжелой воды в исходной воде составляет 2,5% по массе, то ее конечная концентрация составляет 25% по массе.
Система гидравлических затворов
[0023] Кроме того, в настоящем изобретении электролит, из которого образовавшийся газ отделяется каждым из газожидкостных сепараторов 14a и 14b, циркуляционно подается в каждую из камер электролиза, включая анодную камеру 2 и катодную камеру 3, обеспечивая тем самым управление концентрациями щелочи в обеих камерах электролиза. В то же самое время исходная вода в количестве, соответствующем количеству воды, исчезающей в результате электролиза, подается в обе камеры электролиза, включая анодную камеру 2 и катодную камеру 3, из резервуара 9 сырья через циркуляционный резервуар 5. Следовательно, тяжелая вода в исходной воде обогащается за счет непрерывного электролиза при сохранении постоянных условий электролиза.
Для того чтобы поддерживать концентрацию постоянной, исходная вода 10 в количестве, соответствующем потребляемой воде, непрерывно подается в циркуляционный резервуар 5.
С другой стороны, даже когда концентрации щелочи позволяют постепенно увеличиваться до высокой концентрации вплоть до предела концентрации щелочной воды при электролизе, равного 40% по массе, уменьшение объема электролита может быть подтверждено. Кроме того, при этих условиях конечная концентрация в 40% по массе может поддерживаться за счет начала подачи исходной воды.
Следовательно, предложенную в настоящем изобретении систему циркуляции можно эксплуатировать любым из способов, и поэтому она является гибкой.
Кроме того, в настоящем изобретении давлением в катодной камере 3 и давлением в анодной камере 2 управляют путем управления высотой поверхности воды соответственно в гидравлическом затворе 15b катодной стороны и гидравлическом затворе 15a анодной стороны для того, чтобы управлять долей газообразного кислорода, образующегося в анодной камере 2 и смешиваемого с газообразным водородом, образующимся в катодной камере 3.
Анодный газ (газообразный кислород) и катодный газ (газообразный водород) отделяются газожидкостным сепаратором 14a анодной стороны и газожидкостным сепаратором 14b катодной стороны, проходят через гидравлический затвор 15a анодной стороны и гидравлический затвор 15b катодной стороны соответственно, а затем выпускаются. В этом случае высотой поверхности воды в гидравлическом затворе 15b катодной стороны управляют так, чтобы она была выше, чем высота поверхности воды в гидравлическом затворе 15a анодной стороны, так чтобы давление газа на катодной стороне было более высоким, чем давление газа на анодной стороне. Это может уменьшить перенос образовавшегося в анодной камере 2 газообразного кислорода в катодную камеру 3, улучшая тем самым чистоту газообразного водорода. И наоборот, когда желательно улучшить чистоту газообразного кислорода, высотой поверхности воды в гидравлическом затворе 15a анодной стороны управляют так, чтобы она была выше, чем высота поверхности воды в гидравлическом затворе 15b катодной стороны, так чтобы давление газа на анодной стороне было более высоким, чем давление газа на катодной стороне. Это может уменьшить перенос образовавшегося в катодной камере 3 газообразного водорода в анодную камеру 2, улучшая тем самым чистоту газообразного кислорода.
Ячейка электролиза щелочной воды
[0024] В качестве ячейки 1 электролиза щелочной воды используется электролизная ячейка с двумя камерами, включающими в себя анод и катод, расположенные с обеих сторон диафрагмы 4. Кроме того, может использоваться электролизная ячейка с нулевым зазором, включающая в себя анод и катод, которые прилегают к диафрагме 4, электролизная ячейка с конечным зазором, включающая в себя анод и катод, которые предусмотрены на небольшом расстоянии от диафрагмы 4, или электролизная ячейка раздельного типа, включающая в себя анод и катод, которые предусмотрены отдельно от диафрагмы 4. Для того чтобы предотвратить изменение положения и колебания мембраны и предотвратить повреждение мембранной диафрагмы 4 во время работы, предпочтительно предусматривается рабочее дифференциальное давление между анодной камерой и катодной камерой в зависимости от рабочей плотности электрического тока. Например, может быть предусмотрено дифференциальное давление от 50 до 500 мм водяного столба, и это дифференциальное давление обеспечивает дополнительное управление долей газообразного кислорода, образующегося в анодной камере 2 и смешиваемого с газообразным водородом, образующимся в катодной камере 3.
В дополнение, когда в качестве диафрагмы используется нейтральная диафрагма, размер пор используемой диафрагмы уменьшается, или же используется диафрагма со специально обработанной поверхностью с тем, чтобы перенос образующегося в анодной камере газообразного кислорода в катодную камеру или перенос образующегося в катодной камере газообразного водорода в анодную камеру мог быть уменьшен.
Диафрагма
[0025] В качестве диафрагмы 4 может использоваться нейтральная диафрагма, катионообменная мембрана фтористого типа или углеводородного типа для электролиза рассолов и катионообменная мембрана для топливных элементов. Когда используется катионообменная мембрана, концентрация водорода в кислороде составляет примерно 0,13% при концентрации кислорода в водороде 0,07%.
С другой стороны, когда в качестве диафрагмы 4 используется специально обработанная нейтральная диафрагма, концентрация водорода в кислороде составляет от 0,05% до 0,08% при концентрации кислорода в водороде от 0,06% до 0,09%.
Анод и катод
[0026] Анод и катод выбирают выполненными из материала, который может выдержать электролиз щелочной воды и иметь соответственно низкое анодное перенапряжение и катодное перенапряжение. Обычно используется анод, состоящий из железа или покрытого никелем (Ni) железа, и катод, состоящий из материала на основе Ni или из материала на основе Ni, покрытого активным катодным материалом. В качестве каждого из анода и катода может быть использована просечно-вытяжная никелевая сетка, просечно-вытяжная пористая никелевая сетка, металлический электрод, включающий в себя железную основу с покрытой благородным металлом или его оксидом поверхностью, или т.п.
ПРИМЕРЫ
[0027] Далее описываются примеры настоящего изобретения, но настоящее изобретение не ограничивается этими примерами.
ПРИМЕР 1
[0028] Провели испытание с электролизной ячейкой, имеющей площадь электролиза 1,0 дм2. Обе камеры - анодная (объемом 400 мл) и катодная (объемом 400 мл) - были изготовлены из Ni, и анод включал в себя просечно-вытяжную сетку (толщина 0,8 мм × короткая ширина (SW) 3,7 мм × длинная ширина (LW) 8,0 мм) с активным анодным покрытием. Катод включал в себя мелкую сетку (толщина 0,15 мм × SW 2,0 мм × LW 1,0 мм) с активным катодным покрытием на основе благородного металла.
Пленка на основе полипропилена толщиной 100 мкм использовалась в качестве диафрагмы, удерживалась между обоими электродами и собиралась с нулевым зазором.
Процесс испытания проиллюстрирован на Фигуре, при котором температурой электролиза управляют с помощью нагревателя, предусмотренного на дне ячейки электролиза. Циркуляцию электролита осуществляли способом, в котором электролит подается циркуляционными насосами 12a и 12b с расходом от 40 до 60 мл/мин в анодную камеру 2 и катодную камеру 3 через сопла подачи электролита из циркуляционного резервуара 5 (объем электролита: 2,5 л), предусмотренного ниже ячейки 1 электролиза щелочной воды. Жидкости в газожидкостных текучих средах, выпускаемых из верхних сопел электролизной ячейки 1, возвращаются в циркуляционный резервуар 5 через газожидкостные сепараторы 14a и 14b, а газы выпускаются наружу. Рабочие условия включают плотность тока 40 A/дм2, концентрацию KOH 10% по массе, температуру электролиза от 75°C до 85°C и давление в системе ячейки, которое определяется гидравлическими затворами газообразного кислорода и газообразного водорода, выходящих из анодной камеры и катодной камеры соответственно. Для того чтобы предотвратить вибрацию диафрагмы во время работы, дифференциальное давление между анодной камерой и катодной камерой поддерживается на уровне от 50 до 100 мм водяного столба.
С другой стороны, высотой жидкости в каждом из гидравлических затворов можно управлять в зависимости от того, какой из получаемых газов - газообразный водород или газообразный кислород - должен иметь желаемую чистоту. В этом примере для того, чтобы увеличить чистоту водорода, дифференциальное давление составляло 50 мм водяного столба с давлением, приложенным к катоду.
В реальном процессе большое количество исходной воды просто обрабатывается путем непрерывной подачи исходной воды в количестве, соответствующем количеству гидролизуемой воды. Однако в этом примере была проверена эффективность путем измерения коэффициента обогащения образца содержащей тритий воды, напряжения ячейки и чистоты водорода без добавления исходной воды в количестве, соответствующем количеству гидролизуемой воды, к первоначально приготовленному электролиту в системе циркуляции.
Когда работа продолжали до тех пор, пока интегрируемая величина тока не достигла 4800 А⋅ч (непрерывная работа в течение 5 дней), общее количество электролита уменьшилось до 1,7 л с первоначально приготовленного объема 3,3 л. Принимая во внимание небольшое испарение и количество остаточной воды в трубках, несмотря на ее извлечение из системы электролиза, величина уменьшения воды является величиной, по существу эквивалентной теоретическому значению.
В результате электролит в объеме, в 4,125 раза превышающем объем электролизной ячейки, был обогащен в 1,96 раза. Это означает, что исходная вода в объеме, в 4 или более раз превышающем объем электролизной ячейки, может обрабатываться без каких-либо проблем, и непрерывное обогащение может выполняться путем непрерывной подачи исходной воды. Таким образом, с точки зрения уменьшения объема исходной воды, объем исходной воды может быть уменьшен пропорционально интегрированному значению тока, прошедшего через систему.
Первоначально приготовленный электролит с 10 мас.% KOH в конце имел концентрацию 19,6 мас.% KOH после подачи тока 4800 А⋅ч. Это означает, что концентрация была увеличена на величину, соответствующую исчезнувшей воде. То есть это указывает на то, что первоначально приготовленная щелочь (в данном случае гидроксид калия KOH) остается в системе без какого бы то ни было потребления. То же самое относится к случаю, в котором в качестве щелочи используется каустическая сода NaOH, и щелочь не ограничивается едким калием KOH.
С другой стороны, первоначально отрегулированная концентрация щелочи может поддерживаться на первоначальном значении путем непрерывной подачи исходной воды в количестве, соответствующем количеству гидролизуемой воды.
Когда интегрированная величина тока составила 4800 А⋅ч, напряжение, чистота водорода и коэффициент извлечения трития были следующими.
Результаты испытания: напряжение 1,7 В, чистота водорода 99,9%, коэффициент извлечения трития 0,6
Все значения чистоты газа, коэффициента извлечения трития и рабочего напряжения были хорошими.
ПРИМЕР 2
[0029] Испытание провели тем же самым способом, что и в Примере 1, за исключением того, что в качестве диафрагмы использовалась пленка ПТФЭ, имеющая толщину от 70 до 90 мкм и средний размер пор 1 мкм или менее. Результаты испытания были следующими.
Результаты испытания: напряжение 1,95 В, чистота водорода 98,9%, коэффициент извлечения трития 0,6
Все значения чистоты газа, коэффициента извлечения трития и рабочего напряжения были хорошими.
ПРИМЕР 3
[0030] Испытание провели тем же самым способом, что и в Примере 1, за исключением того, что в качестве диафрагмы использовалась ионообменная мембрана для электролиза рассолов. Результаты испытания были следующими.
Использованная катионообменная мембрана: Flemion (торговое наименование компании Asahi Glass Co., Ltd.) F8020SP
Результаты испытания: напряжение 2,1-2,4 В, чистота водорода 99,93%, коэффициент извлечения трития 0,6
Получены самая высокая чистота газа и хороший коэффициент извлечения трития, но рабочее напряжение было высоким, что проявилось в тенденции к увеличению потребления электроэнергии.
ПРИМЕР 4
[0031] Испытание провели тем же самым способом, что и в Примере 1, за исключением того, что в качестве диафрагмы использовалась ионообменная мембрана для топливных элементов. Результаты испытания были следующими.
Использованная катионообменная мембрана: Nafion (торговое наименование компании DuPont) N117
Результаты испытания: напряжение 2,3-2,6 В, чистота водорода 99,92%, коэффициент извлечения трития 0,6
Получены хорошая чистота газа и хороший коэффициент извлечения трития, но рабочее напряжение было очень высоким, что проявилось в тенденции к увеличению потребления электроэнергии.
[0032] В соответствии с настоящим изобретением радиоактивные отходы, содержащие большое количество трития, могут быть эффективно обогащены и фракционированы электролизом с водой с высокой концентрации щелочи и может быть эффективно извлечен газообразный водород с высокой концентрацией и высокой чистотой. Кроме того, концентрация щелочи в системе может всегда поддерживаться постоянной путем обеспечения анодной камеры и катодной камеры с обеих сторон диафрагмы и циркуляционной подачи общего щелочного электролита как в анодную камеру, так и в катодную камеру из циркуляционного резервуара. Следовательно, работа на уровне установки может выполняться безопасно, что позволяет ожидать широкомасштабного применения.
Claims (13)
1. Способ электролитического обогащения тяжелой воды, включающий в себя:
обогащение тяжелой воды электролизом с использованием ячейки электролиза щелочной воды, состоящей из анодной камеры, которая удерживает анод, катодной камеры, которая удерживает катод, и диафрагмы, которая разделяет анодную камеру и катодную камеру,
причем электролит, приготовленный добавлением воды с высокой концентрацией щелочи к исходной воде, состоящей из содержащей тритий тяжелой воды, циркуляционно подают в обе камеры электролиза, включая анодную камеру и катодную камеру, из циркуляционного резервуара, содержащего электролит;
с анодной камерой соединены газожидкостный сепаратор анодной стороны и гидравлический затвор анодной стороны, а с катодной камерой соединены газожидкостный сепаратор катодной стороны и гидравлический затвор катодной стороны; и
электролиз продолжают, в то время как концентрацию щелочи в электролите, подаваемом в обе камеры электролиза, поддерживают на постоянном уровне концентрации путем циркуляционной подачи в циркуляционный резервуар электролита, из которого отделен газ, производимый в каждом из газожидкостного сепаратора анодной стороны и газожидкостного сепаратора катодной стороны, так что тяжелая вода в электролите обогащается и в то же самое время из газожидкостного сепаратора катодной стороны извлекается или выпускается газообразный водород, а из газожидкостного сепаратора анодной стороны извлекается или выпускается газообразный кислород.
2. Способ электролитического обогащения тяжелой воды по п. 1, в котором электролиз продолжают, в то время как концентрацию щелочи в электролите поддерживают на первоначальном уровне концентрации путем подачи в циркуляционный резервуар исходной воды в количестве, соответствующем воде, исчезающей в результате электролиза.
3. Способ электролитического обогащения тяжелой воды по п. 1, в котором концентрация щелочи в электролите составляет от 1,5 до 40 мас.%.
4. Способ электролитического обогащения тяжелой воды по п. 1, в котором концентрация щелочи в электролите составляет от 20 до 30 мас.%.
5. Способ электролитического обогащения тяжелой воды по п. 1, в котором электролиз продолжают, в то время как концентрацию щелочи в электролите поддерживают на постоянном уровне концентрации путем подачи в циркуляционный резервуар исходной воды так, чтобы концентрация щелочи в электролите не превышала 40 мас.%.
6. Способ электролитического обогащения тяжелой воды по п. 5, в котором электролиз продолжают, в то время как концентрацию щелочи в электролите поддерживают на постоянном уровне концентрации путем подачи в циркуляционный резервуар исходной воды так, чтобы концентрация щелочи в электролите не превышала 30 мас.%.
7. Способ электролитического обогащения тяжелой воды по п. 1, в котором давление в катодной камере и давление в анодной камере регулируют путем регулирования высоты поверхности воды соответственно в гидравлическом затворе катодной стороны и высоты поверхности воды в гидравлическом затворе анодной стороны, чтобы управлять долей образовавшегося в анодной камере газообразного кислорода, смешиваемого с образовавшимся в катодной камере газообразным водородом, и/или долей образовавшегося в катодной камере газообразного водорода, смешиваемого с образовавшимся в анодной камере газообразным кислородом.
8. Способ электролитического обогащения тяжелой воды по п. 1, в котором диафрагма представляет собой нейтральную диафрагму.
9. Способ электролитического обогащения тяжелой воды по п. 1, в котором диафрагма представляет собой катионообменную мембрану.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013-158735 | 2013-07-31 | ||
JP2013158735A JP5897512B2 (ja) | 2013-07-31 | 2013-07-31 | 重水の電解濃縮方法 |
PCT/EP2014/065948 WO2015014716A1 (en) | 2013-07-31 | 2014-07-24 | Electrolytic enrichment method for heavy water |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016106887A RU2016106887A (ru) | 2017-09-01 |
RU2016106887A3 RU2016106887A3 (ru) | 2018-04-25 |
RU2656017C2 true RU2656017C2 (ru) | 2018-05-30 |
Family
ID=51263383
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016106887A RU2656017C2 (ru) | 2013-07-31 | 2014-07-24 | Способ электролитического обогащения тяжелой воды |
Country Status (18)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9890062B2 (ru) |
EP (1) | EP3027554B1 (ru) |
JP (1) | JP5897512B2 (ru) |
KR (1) | KR102274666B1 (ru) |
CN (1) | CN105408243B (ru) |
AU (1) | AU2014298623B2 (ru) |
BR (1) | BR112016001840B1 (ru) |
CA (1) | CA2915763C (ru) |
CL (1) | CL2016000211A1 (ru) |
ES (1) | ES2644446T3 (ru) |
HK (1) | HK1215700A1 (ru) |
IL (1) | IL243382A (ru) |
MX (1) | MX362154B (ru) |
MY (1) | MY175653A (ru) |
PH (1) | PH12015502813A1 (ru) |
RU (1) | RU2656017C2 (ru) |
SG (1) | SG11201510691YA (ru) |
WO (1) | WO2015014716A1 (ru) |
Families Citing this family (29)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6419470B2 (ja) * | 2014-07-02 | 2018-11-07 | デノラ・ペルメレック株式会社 | 電解処理方法及び電解処理装置 |
CA2957621C (en) | 2014-08-18 | 2018-10-23 | De Nora Permelec Ltd | Method for treating tritium-water-containing raw water |
JP6450636B2 (ja) * | 2015-04-20 | 2019-01-09 | デノラ・ペルメレック株式会社 | 電解方法 |
JP6745092B2 (ja) * | 2015-06-17 | 2020-08-26 | デノラ・ペルメレック株式会社 | アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システム及び該水処理システムを用いた水処理方法 |
JP6588768B2 (ja) | 2015-08-20 | 2019-10-09 | デノラ・ペルメレック株式会社 | 電解装置及び電解方法 |
JP6397396B2 (ja) * | 2015-12-28 | 2018-09-26 | デノラ・ペルメレック株式会社 | アルカリ水電解方法 |
RU176319U1 (ru) * | 2016-03-16 | 2018-01-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Опреснительная установка обратного осмоса |
EP3509725A4 (en) * | 2016-09-09 | 2020-06-17 | Skyre, Inc. | DEVICE AND METHOD FOR CONCENTRATING HYDROGEN ISOTOPES |
JP6667873B2 (ja) * | 2016-10-27 | 2020-03-18 | MiZ株式会社 | 生体用水素ガス供給装置 |
RU2629561C1 (ru) * | 2016-12-07 | 2017-08-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Электролизер и каскад электролизеров |
US20180257933A1 (en) | 2017-03-09 | 2018-09-13 | Sustainable Innovations, Inc. | In situ apparatus and method for providing deuterium oxide or tritium oxide in an industrial apparatus or method |
KR102279426B1 (ko) | 2017-09-07 | 2021-07-19 | 드 노라 페르멜렉 가부시키가이샤 | 전해 장치 |
JP2019090087A (ja) | 2017-11-15 | 2019-06-13 | 株式会社東芝 | 電解槽及び水素製造装置 |
EP3489389A1 (de) * | 2017-11-24 | 2019-05-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Elektrolyseeinheit und elektrolyseur |
JP3215177U (ja) * | 2017-12-21 | 2018-03-01 | 雄造 川村 | 電池装置 |
CN108854552B (zh) * | 2018-07-05 | 2021-06-04 | 王梁 | 一种应用质子膜与阴离子膜通过电渗析原理分离氘的方法 |
CN108905627B (zh) * | 2018-07-05 | 2021-06-04 | 王梁 | 一种半透双极膜电渗析分离氘的方法 |
CN108950588B (zh) | 2018-07-10 | 2020-11-06 | 林信涌 | 离子膜电解装置 |
JP7135958B2 (ja) * | 2019-03-22 | 2022-09-13 | トヨタ自動車株式会社 | 金属皮膜の成膜装置 |
CA3134812C (en) * | 2019-03-27 | 2023-08-15 | De Nora Permelec Ltd | Method for purifying gas formed by electrolysis, and electrolytic apparatus |
CN110042436A (zh) * | 2019-04-06 | 2019-07-23 | 柳州呈奥科技有限公司 | 一种铟材料加工用电解富集工艺 |
JP7336254B2 (ja) * | 2019-05-07 | 2023-08-31 | 株式会社神鋼環境ソリューション | 水素・酸素発生装置及び水素ガスの製造方法 |
DE102019123858A1 (de) * | 2019-09-05 | 2021-03-11 | Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh | Kreuzflusswasserelektrolyse |
KR102177105B1 (ko) | 2020-07-08 | 2020-11-10 | 김정묵 | 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물 재생성 장치 및 방법 |
CN112408326A (zh) * | 2020-11-16 | 2021-02-26 | 徐州亚兴医疗科技有限公司 | 一种高纯度重水的生产设备及其提纯工艺 |
US11850566B2 (en) | 2020-11-24 | 2023-12-26 | Aircela Inc. | Synthetic fuel production system and related techniques |
EP4036275A1 (en) * | 2021-01-28 | 2022-08-03 | Hitachi Zosen Inova AG | Method of operating an electrolyzer system and electrolyzer system |
CN113046785A (zh) * | 2021-02-04 | 2021-06-29 | 中船重工(邯郸)派瑞特种气体有限公司 | 一种高纯氘气的制备装置及其制备方法 |
WO2024095800A1 (ja) * | 2022-11-01 | 2024-05-10 | 株式会社Ihi | 判定方法、品質保証方法、電解装置、及び電解方法 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB726532A (en) * | 1943-02-15 | 1955-03-23 | Atomic Energy Authority Uk | Improvements in and relating to the production of heavy water |
RU2224051C1 (ru) * | 2003-02-17 | 2004-02-20 | Могилевский Игорь Николаевич | Установка для разложения воды электролизом |
JP2004337843A (ja) * | 2003-04-25 | 2004-12-02 | Showa Denko Kk | 水素同位体水の濃縮方法及び装置 |
CN101298317A (zh) * | 2008-07-03 | 2008-11-05 | 常熟华益化工有限公司 | 用于将双标水加工成重水和氧十八水的装置 |
WO2009157435A1 (ja) * | 2008-06-26 | 2009-12-30 | 地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター | 多段式トリチウム濃縮装置、及びトリチウム濃縮方法 |
RU2380144C1 (ru) * | 2008-05-06 | 2010-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Способ очистки воды от трития каталитическим изотопным обменом между водой и водородом |
RU2010114842A (ru) * | 2008-09-01 | 2011-10-20 | Джапен Текно Ко., Лтд. (Jp) | Жидкий материал, состоящий из водорода и кислорода; регазифицированный газ, состоящий из водорода и кислорода и полученный из жидкого материала; способ и установка для получения жидкого материала и регазифицированного газа; и топливо, состоящее из жидкого материала и/или регазифицированного газа |
Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3406390B2 (ja) | 1994-07-08 | 2003-05-12 | ペルメレック電極株式会社 | 重水素の濃縮方法及び装置 |
US5591319A (en) | 1995-05-10 | 1997-01-07 | Atomic Energy Of Canada Limited/Energie Atomique Du Canada Limitee | Electrolytic pre-enrichment method and apparatus for the combined electrolysis and catalytic exchange process |
JP3977446B2 (ja) | 1995-05-31 | 2007-09-19 | ペルメレック電極株式会社 | 重水素の濃縮装置 |
JP3367812B2 (ja) * | 1996-02-08 | 2003-01-20 | 三菱重工業株式会社 | 水電解装置 |
JP3667436B2 (ja) * | 1996-05-20 | 2005-07-06 | ホシザキ電機株式会社 | 電解水生成装置 |
KR20010001690A (ko) * | 1999-06-08 | 2001-01-05 | 정흥섭 | 중수를 생산하기 위한 전기화학적 시스템 및 중수를 생산하는방법 |
CN1834002A (zh) * | 2005-03-15 | 2006-09-20 | 大连世纪欣科高新技术开发有限公司 | 以重水为原料制取超高纯氘气的生产方法 |
CN100590228C (zh) * | 2006-06-20 | 2010-02-17 | 柯香文 | 以重水为原料制取特高纯氘气的方法 |
CA2590493A1 (en) * | 2007-05-30 | 2008-11-30 | Kuzo Holding Inc. | Multi-cell dual voltage electrolysis apparatus and method of using same |
CN102162106B (zh) * | 2010-02-22 | 2015-01-21 | 朱国樑 | 一种有效提取重水的方法 |
JP2013028822A (ja) * | 2011-07-26 | 2013-02-07 | Toshiba Corp | アルカリ水電解装置およびアルカリ水電解方法 |
-
2013
- 2013-07-31 JP JP2013158735A patent/JP5897512B2/ja active Active
-
2014
- 2014-07-24 ES ES14746988.6T patent/ES2644446T3/es active Active
- 2014-07-24 MY MYPI2015704594A patent/MY175653A/en unknown
- 2014-07-24 US US14/902,363 patent/US9890062B2/en active Active
- 2014-07-24 BR BR112016001840-0A patent/BR112016001840B1/pt active IP Right Grant
- 2014-07-24 RU RU2016106887A patent/RU2656017C2/ru active
- 2014-07-24 AU AU2014298623A patent/AU2014298623B2/en active Active
- 2014-07-24 EP EP14746988.6A patent/EP3027554B1/en active Active
- 2014-07-24 SG SG11201510691YA patent/SG11201510691YA/en unknown
- 2014-07-24 CN CN201480041293.6A patent/CN105408243B/zh active Active
- 2014-07-24 KR KR1020167003752A patent/KR102274666B1/ko active IP Right Grant
- 2014-07-24 CA CA2915763A patent/CA2915763C/en active Active
- 2014-07-24 WO PCT/EP2014/065948 patent/WO2015014716A1/en active Application Filing
- 2014-07-24 MX MX2016001213A patent/MX362154B/es active IP Right Grant
-
2015
- 2015-12-17 PH PH12015502813A patent/PH12015502813A1/en unknown
- 2015-12-28 IL IL243382A patent/IL243382A/en active IP Right Grant
-
2016
- 2016-01-27 CL CL2016000211A patent/CL2016000211A1/es unknown
- 2016-03-30 HK HK16103637.5A patent/HK1215700A1/zh unknown
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB726532A (en) * | 1943-02-15 | 1955-03-23 | Atomic Energy Authority Uk | Improvements in and relating to the production of heavy water |
RU2224051C1 (ru) * | 2003-02-17 | 2004-02-20 | Могилевский Игорь Николаевич | Установка для разложения воды электролизом |
JP2004337843A (ja) * | 2003-04-25 | 2004-12-02 | Showa Denko Kk | 水素同位体水の濃縮方法及び装置 |
RU2380144C1 (ru) * | 2008-05-06 | 2010-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Способ очистки воды от трития каталитическим изотопным обменом между водой и водородом |
WO2009157435A1 (ja) * | 2008-06-26 | 2009-12-30 | 地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター | 多段式トリチウム濃縮装置、及びトリチウム濃縮方法 |
CN101298317A (zh) * | 2008-07-03 | 2008-11-05 | 常熟华益化工有限公司 | 用于将双标水加工成重水和氧十八水的装置 |
RU2010114842A (ru) * | 2008-09-01 | 2011-10-20 | Джапен Текно Ко., Лтд. (Jp) | Жидкий материал, состоящий из водорода и кислорода; регазифицированный газ, состоящий из водорода и кислорода и полученный из жидкого материала; способ и установка для получения жидкого материала и регазифицированного газа; и топливо, состоящее из жидкого материала и/или регазифицированного газа |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
MY175653A (en) | 2020-07-03 |
KR20160037936A (ko) | 2016-04-06 |
US9890062B2 (en) | 2018-02-13 |
ES2644446T3 (es) | 2017-11-29 |
MX2016001213A (es) | 2016-05-26 |
JP2015029921A (ja) | 2015-02-16 |
CL2016000211A1 (es) | 2016-06-17 |
RU2016106887A3 (ru) | 2018-04-25 |
SG11201510691YA (en) | 2016-01-28 |
IL243382A (en) | 2017-12-31 |
PH12015502813B1 (en) | 2016-03-14 |
AU2014298623A1 (en) | 2015-12-24 |
EP3027554A1 (en) | 2016-06-08 |
CA2915763C (en) | 2021-06-22 |
US20160368789A1 (en) | 2016-12-22 |
MX362154B (es) | 2018-12-24 |
CA2915763A1 (en) | 2015-02-05 |
PH12015502813A1 (en) | 2016-03-14 |
BR112016001840B1 (pt) | 2021-11-16 |
EP3027554B1 (en) | 2017-08-30 |
JP5897512B2 (ja) | 2016-03-30 |
KR102274666B1 (ko) | 2021-07-12 |
BR112016001840A2 (pt) | 2020-06-23 |
CN105408243B (zh) | 2017-10-20 |
HK1215700A1 (zh) | 2016-09-09 |
CN105408243A (zh) | 2016-03-16 |
RU2016106887A (ru) | 2017-09-01 |
AU2014298623B2 (en) | 2017-07-20 |
WO2015014716A1 (en) | 2015-02-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2656017C2 (ru) | Способ электролитического обогащения тяжелой воды | |
Xie et al. | A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation | |
US9297084B2 (en) | Electrochemical production of hydrogen | |
RU2718872C2 (ru) | Система обработки воды с использованием устройства для электролиза водного раствора щелочи и щелочного топливного элемента | |
CN107849713B (zh) | 用于电化学利用二氧化碳的还原法和电解*** | |
US20120085657A1 (en) | Chemical systems and methods for operating an electrochemical cell with an acidic anolyte | |
JP6419470B2 (ja) | 電解処理方法及び電解処理装置 | |
US3441488A (en) | Electrolytic desalination of saline water by a differential redox method | |
CN104862730A (zh) | 一种离子膜电解制备高锰酸钾的方法及应用于该方法的专用电解槽 | |
CN115074754A (zh) | 一种将提钾老卤中溴离子选择性氧化成溴单质的方法 | |
Zhao et al. | Effects of cell configuration and bipolar membrane on preparation of LiOH through bipolar membrane electrodialysis from salt lake brine | |
Zensich et al. | Electrodialysis of LiH2PO4 for High-Purity LiOH and Green H2 Production | |
Paidar et al. | 13 Membrane electrolysis | |
JPH09228084A (ja) | 過酸化水素発生装置 |