BR112016001840A2

BR112016001840A2 - método de enriquecimento eletrolítico para água pesada

Info

Publication number: BR112016001840A2
Application number: BR112016001840-0A
Authority: BR
Inventors: Manabe Akiyoshi; Akiyoshi Manabe; Nishiki Yoshinori; Yoshinori Nishiki; Kunimatsu Akira; Akira Kunimatsu
Original assignee: Industrie De Nora S.P.A.
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2020-06-23
Also published as: CA2915763A1; US20160368789A1; KR20160037936A; PH12015502813A1; MX362154B; CA2915763C; ES2644446T3; CL2016000211A1; SG11201510691YA; RU2016106887A; PH12015502813B1; CN105408243B; MX2016001213A; KR102274666B1; EP3027554A1; AU2014298623B2; CN105408243A; JP5897512B2; RU2016106887A3; IL243382A

Abstract

RESUMO MÉTODO DE ENRIQUECIMENTO ELETROLÍTICO PARA ÁGUA PESADA Um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada inclui o enriquecimento de água pesada por eletrólise utilizando uma célula de eletrólise de água alcalina incluindo uma câmara de ânodo, que contém um ânodo, uma câmara de cátodo, que contém um cátodo, e um diafragma. No método, um eletrólito, preparado por adição de água alcalina em alta concentração à água matéria-prima que contém água pesada, é circularmente fornecido à câmara de ânodo e à câmara de cátodo de um tanque de circulação; um separador de gás-líquido do lado do ânodo e um dispositivo de selo de água do lado do ânodo estão conectados à câmara de ânodo, e um separador de gás-líquido do lado do cátodo e um dispositivo de selo de água do lado do cátodo estão conectados à câmara de cátodo; e a eletrólise é continuada enquanto a concentração de álcali no eletrólito fornecido a ambas as câmaras de eletrólise é mantida em uma concentração constante através do fornecimento, circularmente, ao tanque de circulação, do eletrólito do qual o gás gerado do separador de gás-líquido do lado do ânodo e do separador de gás-líquido do lado do cátodo é separado. 1/1

Description

MÉTODO DE ENRIQUECIMENTO ELETROLÍTICO PARA ÁGUA PESADA ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

1. CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada, em que a água pesada é enriquecida por eletrólise com uma célula de eletrólise de água alcalina.

2. DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

[002] A água pesada é a água que contém muitas moléculas de água isotópicas com grandes números de massa e tendo gravidade específica mais elevada do que a água em geral. A água pesada tem propriedades físicas e químicas ligeiramente diferentes daquelas da água em geral. Água em geral é referida como "água leve" em relação à água pesada. A água pesada contém isótopos de hidrogênio, tais como deutério (D, 2H) e trítio (T, 3H), e isótopos de oxigênio 17Ο e 18Ο.

[003] No campo da determinação de segurança de uma instalação de energia atômica, a predição de movimento da crosta terrestre, a medição de um sistema de águas subterrâneas de fontes quentes, ou semelhantes, a análise de deutério (D, 2H) e trítio (T, 3H), em água natural, está se tornando importante. Uma concentração de trítio está em um nível muito baixo e, desse modo, o enriquecimento eletrolítico é geralmente conduzido para melhorar a precisão da medição. Um método de enriquecimento eletrolítico geralmente conhecido para a água pesada inclui a preparação de uma solução de amostra em que um eletrólito é dissolvido e eletrólise da solução usando placas planas dispostas face a face uma com a outra. A água contida em um eletrólito contém

HOD e HOT além de H2O, e esses são decompostos em hidrogênio e oxigênio de acordo com a eletrólise da água usual, mas H2O é decomposto, de preferência, para a decomposição de HOD e HOT pelo efeito isotópico a fim de aumentar as concentrações de deutério e trítio no eletrólito, resultando em enriquecimento. Nesta eletrólise, o níquel é usado como um ânodo, e aço, ferro ou níquel é usado como um cátodo, e esses eletrodos são lavados e utilizados para a eletrólise sob condições de transporte de corrente em um recipiente de vidro, que contém água de amostra preparada pela adição de hidróxido de sódio diluído como um sal de suporte a uma solução aquosa contendo água pesada. A água pesada é geralmente enriquecida pela eletrólise contínua com uma densidade de corrente de 1 a 10 A/dm2 até que uma quantidade de líquido se torne 1/10 ou menos, enquanto a temperatura da solução é mantida em 5° C ou menos, a fim de impedir a evaporação da água devido ao calor gerado.

[004] Ou seja, o enriquecimento eletrolítico usa a propriedade em que a água de trítio é menos eletrolisada do que a água de hidrogênio leve. Um método para a eletrólise usando eletrodos metálicos inseridos em uma solução aquosa alcalina já tem já sido estudado frequentemente e padronizado publicamente em um manual como um método padrão. Este método inclui uma etapa de enriquecimento de concentrações de trítio. No entanto, na prática, um método geral para o enriquecimento eletrolítico tem alguns problemas. Os problemas residem em complicadas operações experimentais, uma taxa de enriquecimento de trítio limitada ao limite superior de uma concentração de eletrólito, um perigo de explosão devido à ocorrência de gás misto de oxigênio e de hidrogênio, muito tempo necessário para a eletrólise, e impropriedade para o tratamento de grande capacidade.

[005] Uma vez que uma técnica é considerada em vista de separação de uma etapa e de captura de uma inclusão diluída, os problemas são devidos às dificuldades com a manipulação de uma solução de eletrólito aquosa alcalina, dificuldade na separação e gases gerados em ambos os eletrodos, dificuldade no aumento da corrente de eletrólise devido à geração de bolhas em uma superfície de metal, etc., que são causadas, principalmente, por um método eletrolítico geral de uma solução alcalina aquosa.

[006] Por outro lado, um método eletrolítico de água que está atraindo a atenção recentemente é um método eletrolítico de água (daqui em diante referida como "a eletrólise da água SPE") usando um eletrólito de polímero sólido (daqui em diante referido como "SPE"). No início da década de 1970, a US General Electric Company primeiro aplicou a tecnologia de células de combustível à eletrólise da água SPE de tal maneira que uma porção de eletrólise que possui uma estrutura que inclui uma membrana SPE mantida entre os eletrodos metálicos porosos é imersa em água pura, e a eletrólise é realizada apenas pela passagem de uma corrente, gerando gás decomposto dos eletrodos porosos. A SPE é um tipo de resina de troca catiônica e têm uma cadeia de polímeros em que os grupos de ácido sulfônico que contribuem para a condução iônica estão quimicamente ligados. Quando uma corrente é passada entre ambos os eletrodos, a água é decomposta e gás oxigênio é gerado em um ânodo, gerando íons de hidrogênio. Os íons de hidrogênio se movem através dos grupos de ácido sulfônico no SPE, alcançam o cátodo e recebem elétrons para gerar gás hidrogênio. O SPE é aparentemente mantido em estado sólido, sem ser alterado. Quando o SPE é usado para enriquecimento eletrolítico de trítio, as vantagens a seguir podem ser esperadas em comparação com os métodos usuais. 1) A água destilada pode ser decomposta diretamente. Isto é, dissolução, neutralização e remoção de um eletrólito, que são essenciais para um método eletrolítico de uma solução aquosa alcalina, não são necessárias e um fator de redução de volume de água de amostra é basicamente ilimitado. 2) Uma superfície do eletrodo não é coberta com bolhas, e, assim, a eletrólise pode ser realizada com uma grande corrente, encurtando, assim, o tempo de eletrólise. 3) Uma vez que o gás hidrogênio e o gás oxigênio são gerados separadamente em ambos os lados da membrana SPE, os gases podem ser facilmente tratados. Isto é muito mais seguro do que um método usual, incluindo a manipulação de gás misto explosivo. Também, o requerente propôs um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada por eletrólise da água SPE nos Pedidos de Patente Japonês, Não Examinados Publicação Nº 8-26703 (Patente Nº 3406390) e 8-323154 (Patente Nº 3977446) e o Tritium Electrolytic Enrichment using Solid Polymer Electrolyte (RADIOISOTOPES, Vol. 45, Nº 5, maio de 1996 (emitido pela Japan Radioisotope Association).

[007] No entanto, o método proposto nestes documentos pode ser aplicado a um aparelho de análise e tratamento de enriquecimento em pequena escala, mas não é adequado para o tratamento em grande escala. Nenhuma corrente circula através do eletrólito porque o eletrólito utilizado é água pura, e, portanto, a membrana de polímero sólido utilizada como um componente deve ser frisada fortemente com o ânodo e o cátodo sob a pressão de superfície correspondente a 20 a 30 kg/cm2. Portanto, os membros de uma célula de eletrólise precisam ter alta resistência e, em vista da economia e da operacionalidade, é irrealista garantir uma grande área de reação de 1 m2 ou mais, desse modo, aumentando indesejavelmente o custo do equipamento para o enriquecimento eletrolítico e fracionamento de água da matéria-prima que contém uma grande quantidade de água pesada.

SUMARIO DA INVENÇÃO

[008] Em consequência, é um objeto da presente invenção resolver os problemas da técnica relacionada e proporcionar um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada capaz de enriquecimento eletrolítico e fracionamento da água da matéria-prima contendo uma grande quantidade de água pesada por um método eletrolítico da água alcalina, e capaz de produzir gás hidrogênio de alta pureza e/ou gás oxigênio de alta pureza.

[009] A fim de alcançar o objetivo, o primeiro meio de resolução da presente invenção é proporcionar um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada, o método incluindo o enriquecimento de água pesada por eletrólise com uma célula de eletrólise de água alcalina, que inclui uma câmara de ânodo, que contém um ânodo, uma câmara de cátodo que contém um cátodo, e um diafragma que se divide entre a câmara de ânodo e a câmara de cátodo. No método de enriquecimento eletrolítico, um eletrólito preparado pela adição de água alcalina em alta concentração à água de matéria-prima que contém água pesada contendo trítio é circularmente fornecido a ambas as câmaras de eletrólise, incluindo a câmara do ânodo e a câmara do cátodo de um tanque de circulação que contém o eletrólito; um separador de gás- líquido do lado do ânodo e um dispositivo de selo de água do lado do ânodo estão conectados à câmara de ânodo, e um separador de gás-líquido do lado do cátodo e um dispositivo de álcali de água do lado do cátodo estão conectados à câmara do cátodo; e eletrólise é continuada enquanto a concentração de álcali no eletrólito fornecido a ambas as câmaras de eletrólise é mantida em uma concentração constante pelo fornecimento, circularmente, ao tanque de circulação, do eletrólito do qual o gás gerado de cada separador de gás- líquido do lado do ânodo e separador gás-líquido do lado do cátodo é separado, enriquecendo, assim, a água pesada no eletrólito. Ao mesmo tempo, o gás hidrogênio é recuperado ou descarregado do separador de gás-líquido do lado do cátodo e o gás oxigênio é recuperado ou descarregado do separador de gás-líquido do lado do ânodo.

[010] A fim de alcançar o objetivo, o segundo meio de resolução da presente invenção é proporcionar um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada, em que a eletrólise é continuada enquanto a concentração de álcali do eletrólito é mantida na concentração inicial através do fornecimento de água de matéria-prima em uma quantidade correspondente à água que desaparece por eletrólise para o tanque de circulação.

[011] A fim de alcançar o objetivo, o terceiro meio de resolução da presente invenção é proporcionar um método para o enriquecimento eletrolítico para água pesada em que a concentração de álcali do eletrólito alcalino é de 1,5 % a 40 % em massa.

[012] A fim de alcançar o objetivo, o quarto meio de resolução da presente invenção é proporcionar um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada em que a concentração de álcali do eletrólito é de 20 % a 30 % em massa.

[013] A fim de alcançar o objetivo, o quinto meio de resolução da presente invenção é proporcionar um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada, em que a eletrólise é continuada enquanto a concentração de álcali do eletrólito é mantida em uma concentração constante através do fornecimento de água de matéria-prima para o tanque de circulação de modo que a concentração de álcali do eletrólito não exceda 40 % em massa.

[014] A fim de alcançar o objetivo, o sexto meio de resolução da presente invenção é proporcionar um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada, em que a eletrólise é continuada enquanto a concentração de álcali do eletrólito é mantida em uma concentração constante através do fornecimento de água de matéria-prima para o tanque de circulação de modo que a concentração de álcali do eletrólito não exceda 30 % em massa.

[015] A fim de alcançar o objetivo, o sétimo meio de resolução da presente invenção é proporcionar um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada, em que a pressão na câmara de cátodo e a pressão na câmara do ânodo são ajustadas por ajuste da altura de uma superfície de água no dispositivo de selo de água do lado do cátodo e da altura de uma superfície de água no dispositivo de selo de água do lado do ânodo, respectivamente, a fim de controlar a proporção de gás oxigênio gerado na câmara do ânodo e misturado no gás hidrogênio gerado na câmara de cátodo e/ou uma proporção do gás hidrogênio gerado na câmara de cátodo e misturado no gás oxigênio gerado na câmara do ânodo.

[016] A fim de alcançar o objetivo, o oitavo meio de resolução da presente invenção é proporcionar um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada, em que o diafragma é um diafragma neutro.

[017] A fim de alcançar o objetivo, o nono meio de resolução da presente invenção é proporcionar um método para o enriquecimento eletrolítico para água pesada em que o diafragma é uma membrana de troca catiônica.

[018] De acordo com a presente invenção, um resíduo radioativo contendo uma grande quantidade de trítio pode ser eficazmente enriquecido e fracionado por eletrólise de água alcalina e a alta concentração e a alta pureza do gás hidrogênio e/ou gás oxigênio podem ser efetivamente recuperadas.

[019] Além disso, de acordo com a presente invenção, a câmara de ânodo e a câmara de cátodo são proporcionadas em ambos os lados do diafragma, e o eletrólito alcalino comum é circularmente fornecido à câmara de ânodo e à câmara de cátodo de um tanque de circulação, de modo que, no sistema de operação, as concentrações alcalinas na câmara de ânodo e na câmara de cátodo podem ser sempre controladas para a mesma concentração, através do retorno e da manutenção, para e no mesmo tanque de circulação, do eletrólito descarregado de cada uma da câmara de ânodo e da câmara de cátodo por eletrólise do eletrólito, o que diminui a concentração de álcali na câmara de ânodo e aumenta a concentração de álcali na câmara de cátodo. Também, a concentração de álcali no sistema pode ser sempre mantida em uma condição inicial predeterminada através do fornecimento de água de matéria-prima em uma quantidade correspondente à água que desaparece por eletrólise. Em qualquer caso, um método para a operação de um processo de circulação de eletrólise de água alcalina é um método de operação eficaz porque o gerenciamento de operação de múltiplas finalidades de operação em bateladas e de operação contínua de uma instalação pode ser realizado de acordo com as finalidades de operação da instalação, apenas ajustando uma concentração de álcali predeterminada no estágio inicial de operação. Também, o gerenciamento da operação não é complicado e, assim, operação segura pode ser realizada em um nível de instalação. Por outro lado, quando a concentração de álcali não pode ser controlada sob condições predeterminadas, a tensão da célula muda com alterações na concentração de álcali, mudando, assim, a quantidade de calor gerado com calor Joule. Quando a temperatura da célula é aumentada, a quantidade de água evaporada é aumentada, e, portanto, as condições de resfriamento também são alteradas. Portanto, a variação na concentração de álcali é indesejada por causa da variação nas condições de operação com variação na concentração de álcali. No entanto, esse problema pode ser resolvido através da eletrólise de água alcalina de acordo com a presente invenção.

[020] Ainda, de acordo com a presente invenção, a água pesada pode ser eficazmente enriquecida por eletrólise de água alcalina com o eletrólito na concentração de álcali de 1,5 % a 4 % em massa. A eletrólise contínua da água permite a redução teórica do volume desejado, permitindo, desse modo, o enriquecimento até um valor desejado.

[021] Além disso, de acordo com a presente invenção, no processo de eletrólise, quando cada um do gás de ânodo e do gás de cátodo é separado pelo separador de gás- líquido, em seguida, selado de água e descarregado, uma proporção do gás oxigênio gerado na câmara de ânodo e transferido para a câmara de cátodo pode ser controlada através do controle da pressão do gás no lado do cátodo para ser maior ou menor do que a pressão do gás no lado do ânodo. Portanto, de acordo com a presente invenção, o processo de eletrólise pode ser controlado dentro dos limites de explosão através do controle de uma relação de mistura entre o gás oxigênio e o gás hidrogênio, reduzindo, assim, o perigo de explosão e produzindo gás hidrogênio de alta pureza e/ou gás oxigênio de alta pureza.

BREVE DESCRIÇÃO DO DESENHO

[022] A Figura é um fluxograma ilustrando um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada de acordo com uma modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES PREFERIDAS

[023] Uma modalidade da presente invenção é descrita abaixo com referência ao desenho.

[024] A Figura é um fluxograma ilustrando um método de enriquecimento eletrolítico para água pesada de acordo com uma modalidade da presente invenção. Na figura, o numeral de referência 1 denota uma célula de eletrólise de água alcalina e a célula de eletrólise de água alcalina 1 inclui uma câmara de ânodo 2 que contém um ânodo, uma câmara de cátodo 3, que contém um cátodo, e um diafragma 4, que se divide entre a câmara de ânodo 2 e a câmara de cátodo 3. O numeral de referência 5 denota um tanque de circulação; o numeral de referência 6, um tanque de água alcalina que armazena alta concentração de água alcalina 7 geralmente necessária apenas para ajuste do eletrólito alcalino inicial; o numeral de referência 8, uma bomba de alimentação que fornece a água alcalina 7 no tanque de água alcalina 6 para o tanque de circulação 5; o numeral de referência 9, um tanque de matéria-prima que armazena água de matéria-prima 10; e o numeral de referência 11, uma bomba de alimentação que fornece a água matéria-prima 10 no tanque de matéria-prima 9 para o tanque de circulação 5. A água alcalina 7 e a água de matéria-prima 10 são misturadas no tanque de circulação 5 para produzir um eletrólito 16 ajustado para a água alcalina em uma concentração predeterminada.

[025] O eletrólito controlado para uma concentração predeterminada por mistura no tanque de circulação 5 é fornecido à câmara de ânodo 2 da célula de eletrólise de água alcalina 1 através de uma bomba de circulação 12a e um trocador de calor 13a e é fornecido para a câmara de cátodo 3 da célula de eletrólise de água alcalina 1 através de uma bomba de circulação 12b e um trocador de calor 13b.

[026] O eletrólito controlado em uma concentração predeterminada de água alcalina é eletrolisado na câmara de ânodo 2 e enriquecido por eletrólise para produzir um eletrólito enriquecido e gás oxigênio é gerado na câmara de ânodo 2. O gás oxigênio gerado e o eletrólito são separados em gás e líquido por um separador de gás-líquido 14a e o eletrólito separado é circulado para o tanque de circulação 5. O gás oxigênio separado pelo separador de gás – líquido do lado do ânodo 14a é esgotado através de um dispositivo com selo de água do lado de ânodo 15a.

[027] Ao mesmo tempo, o gás hidrogênio é gerado na câmara de cátodo 3. O gás hidrogênio gerado e o eletrólito são separados em gás e líquido por um separador de gás- líquido do lado do cátodo 14b e o eletrólito separado é circulado para o tanque de circulação 5. O gás hidrogênio separado pelo separador de gás-líquido do lado do ânodo 14b é esgotado através de um dispositivo de selo de água do lado do cátodo 15b. Além disso, a água é fornecida como água de matéria-prima a ser fornecida do tanque de matéria-prima 9, através do fornecimento de água de matéria-prima em uma quantidade que corresponde à água que desaparece por eletrólise a fim de continuar a eletrólise, enquanto se mantém as condições de eletrólise constantes e se controla as concentrações alcalinas em ambas as câmaras de eletrólise.

[028] O eletrólito na concentração alcalina inicialmente ajustada pode ser mantido pelo fornecimento, continuamente, da água de matéria-prima em uma quantidade correspondente ao desaparecimento da água por eletrólise. Por outro lado, uma operação intermitente de redução de volume do eletrólito (água de matéria-prima a ser tratada) também pode ser realizada por continuação de circulação intermitente de eletrólise de água alcalina sem fornecimento contínuo de água de matéria-prima. (CONDIÇÃO PARA ELETRÓLISE DA ÁGUA ALCALINA)

[029] Na eletrólise de água alcalina de acordo com a presente invenção, um eletrólito preparado por adição de água alcalina de alta concentração à água de matéria-prima composta de água pesada contendo trítio de modo que uma concentração predeterminada de álcali é obtida e é usada como o eletrólito. O eletrólito é, de preferência, um álcali cáustico tal como potássio cáustico, sódio cáustico, ou similar, e a sua concentração é, preferencialmente, de 1,5 % a 40 % em massa. Em particular, tendo em vista a supressão do consumo de energia, uma concentração de 15 % a 40 %, em massa, dentro de uma região com alta condutividade elétrica é preferida. No entanto, em vista do custo da eletrólise, da resistência à corrosão, da viscosidade e da operacionalidade, a concentração é mais preferencialmente de 20 % a 30 % em massa.

[030] A concentração da água alcalina de alta concentração adicionada à água de matéria-prima é preferencialmente de 10 % a 30 % em massa.

[031] Um método para operação em uma concentração de álcali constante inclui, por exemplo, o fornecimento, continuamente, de água da matéria-prima em uma quantidade correspondente à quantidade de água consumida após controlar a concentração inicial de álcali. Quando uma operação intermitente é desejada, para reduzir o volume da água de matéria-prima a ser tratada, pode ser utilizado um método de verificação de uma redução na quantidade de eletrólito inicialmente ajustada. Neste caso, a concentração de álcali inicialmente ajustada é aumentada em proporção à quantidade de água reduzida.

[032] Como a região da concentração de álcali, uma região em que a resistência do líquido é aumentada é indesejada. Por exemplo, quando a concentração de álcali for superior a 40 %, em massa, gases gerados tendem a se tornarem difíceis de remover do eletrólito (devido ao aumento na viscosidade do líquido), e, assim, a tensão da célula é aumentada, resultando em um aumento na temperatura da célula devido à geração de calor Joule e na necessidade de um gerenciamento de operação excessivo, tal como na necessidade de resfriamento do eletrólito ou semelhantes.

[033] Por conseguinte, uma vez que a concentração de álcali é aumentada por enriquecimento da água de matéria-prima, é preferido que a concentração de álcali seja mantida constante por adição da água de matéria-prima de modo que a concentração de álcali não exceda 40 % em massa ou % em massa.

[034] Na presente invenção, em vista da economia, água pesada é enriquecida cerca de 10 vezes por redução de volume eletrolítico e, quando a concentração inicial de água pesada na água de matéria-prima é de 2,5 % em massa, a concentração final é de 25 %, em massa, porque água é liberada por eletrólise. (SISTEMA DE SELO DE ÁGUA)

[035] Ainda, na presente invenção, o eletrólito do qual o gás gerado é separado por cada um dos separadores de gás-líquido 14a e 14b é circularmente fornecido a cada uma das câmaras de eletrólise incluindo a câmara do ânodo 2 e a câmara de cátodo 3, controlando, assim, as concentrações alcalinas em ambas as câmaras de eletrólise. Ao mesmo tempo, a água de matéria-prima em uma quantidade correspondente à quantidade de água que desaparece por eletrólise é fornecida a ambas as câmaras de eletrólise incluindo a câmara do ânodo

2 e a câmara de cátodo 3, do tanque de matéria-prima 9, através do tanque de circulação 5. Portanto, água pesada na água de matéria-prima é enriquecida por eletrólise contínua enquanto se mantém as condições de eletrólise constantes.

[036] A fim de controlar a concentração constante, a água de matéria-prima 10, em uma quantidade correspondente à água consumida, é fornecida continuamente ao tanque de circulação 5.

[037] Por outro lado, mesmo quando a concentração alcalina é deixada aumentar gradualmente até uma alta concentração até um limite de concentração da eletrólise de água alcalina de 40 %, em massa, a redução do volume do eletrólito pode ser confirmada. Também, sob estas condições, a concentração final de 40 %, em massa, pode ser, então, mantida através do início do fornecimento da água de matéria- prima.

[038] Portanto, o sistema de circulação proposto na presente invenção pode ser operado por qualquer um dos métodos e, assim, tem flexibilidade.

[039] Ainda, na presente invenção, a pressão na câmara de cátodo 3 e a pressão na câmara do ânodo 2 são controladas por controle da altura da superfície de água no dispositivo de selo de água no lado do cátodo 15b e no dispositivo de selo de água no lado do ânodo 15a, respectivamente, a fim de controlar a proporção do gás oxigênio gerado na câmara do ânodo 2 e misturado com o gás de hidrogénio gerado na câmara de cátodo 3.

[040] O gás de ânodo (gás oxigênio) e o gás de cátodo (gás hidrogênio) são separados pelo separador de gás – líquido do lado do ânodo 14a e pelo separador de gás -

líquido do lado do cátodo 14b, com selo de água no dispositivo de selo de água do lado do ânodo 15a e no dispositivo de selo de água no lado do cátodo 15b, respectivamente, e, em seguida, esgotados. Neste caso, a altura da superfície de água no dispositivo de selo de água no lado do cátodo 15b é controlada para ser maior do que no dispositivo de selo de água no lado do ânodo 15a de modo que a pressão do gás no lado do cátodo é maior do que a pressão do gás no lado do ânodo. Isso pode diminuir a transferência do gás oxigênio do gerado na câmara de ânodo 2 para a câmara de cátodo 3, melhorando, assim, a pureza do gás hidrogênio. Inversamente, quando é desejado que a pureza do gás oxigênio seja melhorada, a altura da superfície de água no dispositivo de selo de água do lado do ânodo 15a é controlada para ser maior do que no dispositivo de selo de água do lado do cátodo 15b de modo que a pressão do gás no lado do ânodo é maior do que a pressão do gás no lado do cátodo. Isso pode diminuir a transferência do gás hidrogênio gerado na câmara de cátodo 3 para a câmara de ânodo 2, melhorando, assim, a pureza do gás oxigênio. (CÉLULA DE ELETRÓLISE DA ÁGUA ALCALINA)

[041] Uma célula de eletrólise de duas câmaras, incluindo um ânodo e um cátodo proporcionados em ambos os lados do diafragma 4 é usada como a célula de eletrólise de água alcalina 1. Também, uma célula de eletrólise zero gap incluindo um ânodo e um cátodo que aderem ao diafragma 4, uma célula de eletrólise finita, incluindo um ânodo e um cátodo, que são fornecidos ligeiramente além do diafragma 4, ou uma célula de eletrólise do tipo espaçada, incluindo um ânodo e um cátodo, que são fornecidos para além do diafragma 4 pode ser utilizada.

[042] A fim de evitar a variação na posição e na oscilação da membrana e para impedir danos para o diafragma de membrana 4 durante a operação, uma pressão diferencial de operação é, de preferência, proporcionada entre a câmara de ânodo e a câmara de cátodo, dependendo da densidade de corrente eléctrica de operação. Por exemplo, uma pressão diferencial de 50 a 500 mmH2O pode ser fornecida, e esta pressão diferencial permite um controle adicional da proporção do gás oxigênio gerado na câmara de ânodo 2 e misturado no gás hidrogênio gerado na câmara de cátodo 3.

[043] Além disso, quando um diafragma neutro é usado como o diafragma, o tamanho dos poros do diafragma usado é diminuído ou o diafragma com uma superfície tratada especialmente é usado de modo que a transferência do gás oxigênio gerado na câmara de ânodo para a câmara de cátodo ou transferência do gás hidrogênio gerado na câmara de cátodo para a câmara de ânodo pode ser reduzida. (DIAFRAGMA)

[044] Um diafragma neutro, uma membrana de troca de cátions do tipo flúor ou do tipo hidrocarboneto para eletrólise de salmoura e uma membrana de troca de cátions para células de combustível põem ser usados como o diafragma

4. Quando uma membrana de troca de cátions é usada, uma concentração de hidrogênio em oxigênio é cerca de 0,13 % em uma concentração de oxigênio em hidrogênio de 0,07 %.

[045] Por outro lado, quando um diafragma neutro especialmente tratado é usado como o diafragma 4, uma concentração de hidrogênio em oxigênio é 0,05 % a 0,08 % em uma concentração de oxigênio em hidrogênio de 0,06 % a 0,09

%. (ÂNODO E CÁTODO)

[046] O ânodo e o cátodo são selecionados para serem feitos de um material que pode resistir à eletrólise de água alcalina e ter baixa sobretensão de ânodo e sobretensão de cátodo, respectivamente. Em geral, o ânodo composto de ferro ou ferro revestido com Ni é usado e o cátodo composto de um material à base de Ni ou um material à base de Ni revestido com um material de cátodo ativo é usado. Uma malha de níquel expandida, uma malha de níquel porosa expandida, um eletrodo de metal incluindo uma base de ferro tendo uma superfície revestida com um metal nobre ou um óxido do mesmo, ou semelhante podem ser usados como cada um do ânodo e do cátodo.

EXEMPLOS

[047] A seguir, exemplos da presente invenção são descritos, mas a presente invenção não está limitada a esses exemplos. EXEMPLO 1

[048] Um teste foi conduzido com uma célula de eletrólise tendo uma área de eletrólise de 1,0 dm2. Ambas, uma câmara de ânodo (volume 400 ml) e uma câmara de cátodo (volume 400 ml), foram compostas de Ni e o ânodo incluía uma malha expandida (espessura 0,8 mm x largura curta (SW) 3,7 mm x largura longa (LW) 8,0 mm, com um revestimento de ânodo ativo. O catodo incluía uma malha fina (espessura 0,15 mm x SW 2,0 mm x LW 1.0 mm) com um revestimento de catodo ativo baseado em metal nobre.

[049] Uma película baseada em polipropileno de 100 µm foi usada como um diafragma, mantido entre ambos os eletrodos e montada com zero gap.

[050] Um processo de teste é como ilustrado na figura, em que uma temperatura de eletrólise é controlada com um aquecedor proporcionado no fundo de uma célula de eletrólise. Um eletrólito é circulado por um método em que o eletrólito é dotado de bombas de circulação 12a e 12b em uma taxa de fluxo de 40 a 60 ml/min para a câmara de ânodo 2 e para a câmara de cátodo 3 através de bocais de alimentação de eletrólito do tanque de circulação 5 (volume de eletrólito: 2,5L) proporcionados abaixo da célula de eletrólise de água alcalina 1. Os líquidos nos fluidos de gás – líquido descarregados dos bocais superiores da célula de eletrólise 1 são retornados para o tanque de circulação 5 através dos separadores de gás – líquido 14a e 14b e gases são descarregados para o lado de fora. As condições de operação incluem 40 A/dm2, 10 % em massa de KOH, uma temperatura de eletrólise de 75 ºC a 85 ºC e pressão no sistema de célula que é determinada por selo de água do gás oxigênio e do gás hidrogênio descarregados da câmara de ânodo e da câmara de cátodo, respectivamente. A fim de impedir a vibração do diafragma durante a operação, uma pressão diferencial entre a câmara de ânodo e a câmara de cátodo é mantida em 50 a 100 mmH2O.

[051] Por outro lado, a altura do líquido em cada um dos sistemas de selo de água pode ser controlada, dependendo de qual do gás hidrogênio e do gás oxigênio produzidos é esperado ter pureza desejada. Neste exemplo, a fim de aumentar a pureza do hidrogênio, uma pressão diferencial era 50 mmH2O com pressão aplicada ao cátodo.

[052] Em um processo real, uma grande quantidade de água matéria-prima é tratada simplesmente através de fornecimento, continuamente, da água matéria-prima em uma quantidade correspondente à quantidade de água hidrolisada. Contudo, neste exemplo, a eficácia foi examinada pela medição da taxa de enriquecimento de água de amostra contendo trítio, tensão da célula e pureza do hidrogênio, sem adição da água matéria-prima em uma quantidade correspondente à quantidade de água hidrolisada no eletrólito inicial preparado no sistema de circulação.

[053] Quando a operação foi continuada até que um valor de corrente integrado fosse 4800 Ah (operação contínua por cinco dias), a quantidade total do eletrólito foi diminuída para 1,7 L do volume inicial preparado de 3,3 L. Em vista da ligeira evaporação da quantidade de água não recuperada em tubos de eletrólise apesar da recuperação do sistema, a quantidade de água reduzida é um valor substancialmente equivalente a um valor teórico.

[054] Como um resultado, o eletrólito em um volume de 4,125 vezes o volume da célula de eletrólise foi enriquecido 1,96 vezes. Isso representa que a água matéria- prima em um volume de quatro vezes ou mais o volume da célula de eletrólise pode ser tratada sem dificuldades e o enriquecimento contínuo pode ser realizado através do fornecimento, continuamente, de água matéria-prima. Isto é, do ponto de vista da redução de volume da água matéria-prima, o volume da água matéria-prima pode ser reduzido em proporção ao valor de corrente integrado aplicado ao sistema.

[055] O eletrólito de 10 % em massa de KOH, preparado inicialmente, era, finalmente, 19,6 em massa de KOH, após fornecimento de corrente de 4800 Ah. Isso representa que a concentração foi aumentada em um valor correspondente ao desaparecimento de água. Ou seja, isso indica que o álcali preparado inicialmente (aqui, KOH alcalino cáustico) permaneceu no sistema, sem ser consumido. O mesmo se aplica ao caso onde soda cáustica NaOH é usada como o álcali e o álcali não está limitado ao potássio cáustico KOH.

[056] Por outro lado, a concentração de álcali ajustada inicial pode ser mantida no valor inicial através do fornecimento, continuamente, da água matéria-prima em uma quantidade correspondente à quantidade de água hidrolisada.

[057] Quando a corrente integrada era 4800 Ah, a tensão, a pureza do hidrogênio e a taxa de recuperação de trítio foram como segue.

[058] Resultados do teste: 1,7 V, pureza do hidrogênio 99,9 %, taxa de recuperação de trítio 0,6.

[059] Todas, dentre a pureza do gás, a taxa de recuperação de trítio e a tensão de operação, foram boas. EXEMPLO 2

[060] Um teste foi conduzido pelo mesmo método que no Exemplo 1, exceto que uma película de PTFE, tendo uma espessura de 70 a 90 µm e um tamanho médio de poros de 1 µm ou menos, foi usada como um diafragma. Os resultados do teste foram como segue.

[061] Resultados do teste: 1,95 V, pureza do hidrogênio 98,9 %, taxa de recuperação de trítio 0,6.

[062] Todas, dentre a pureza do gás, a taxa de recuperação de trítio e a tensão de operação, foram boas. EXEMPLO 3

[063] Um teste foi conduzido pelo mesmo método que no Exemplo 1, exceto que uma membrana de troca de íons para eletrólise de salmoura foi usada como um diafragma. Os resultados do teste foram como segue.

[064] Membrana de troca catiônica usada: Flemion (nome comercial de Asahi Glass Co., Ltd.) F8020SP.

[065] Resultados do teste: 2,1 a 2,4 V, pureza do hidrogênio 99,93 %, taxa de recuperação de trítio 0,6.

[066] A pureza do gás mais alta e a boa taxa de recuperação de trítio foram obtidas, mas a tensão de operação foi alta, resultando na tendência para aumentar o consumo de energia. EXEMPLO 4

[067] Um teste foi conduzido pelo mesmo método que no Exemplo 1, exceto que uma membrana de troca de íons para células de combustível descrita abaixo foi usada como um diafragma. Os resultados do teste foram como segue.

[068] Membrana de troca de íons usada: Nafion (nome comercial da DuPont Company) N117

[069] Resultados do teste: 2,3 a 2,6 V, pureza do hidrogênio 99,92 %, taxa de recuperação de trítio 0,6.

[070] A boa pureza do gás e a boa taxa de recuperação de trítio foram obtidas, mas a tensão de operação foi muito alta, resultando na tendência para aumentar o consumo de energia.

[071] De acordo com a presente invenção, resíduo radioativo contendo uma grande quantidade de trítio pode ser enriquecido eficientemente e fracionado por eletrólise com água alcalina em alta concentração e gás hidrogênio de alta pureza, em alta concentração pode ser recuperado eficientemente. Também, a concentração de álcali no sistema pode ser mantida sempre constante através do fornecimento de uma câmara de ânodo e uma câmara de cátodo em ambos os lados de um diafragma e fornecendo, circularmente, um eletrólito alcalino comum à câmara de ânodo e à câmara de cátodo de um tanque de circulação.

Portanto, uma operação em nível de instalação pode ser realizada seguramente, assim, esperando utilização em ampla faixa.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. MÉTODO DE ENRIQUECIMENTO ELETROLÍTICO PARA ÁGUA PESADA, o método caracterizado por compreender: enriquecimento de água pesada por eletrólise, usando uma célula de eletrólise de água alcalina, consistindo em uma câmara de ânodo que contém um ânodo, uma câmara de cátodo que contém um cátodo e um diafragma que se divide entre a câmara de ânodo e a câmara de cátodo; em que um eletrólito preparado por adição de água alcalina em alta concentração à água matéria-prima consistindo em água pesada contendo trítio é fornecido circularmente a ambas as câmaras de eletrólise, incluindo a câmara de ânodo e a câmara de cátodo de um tanque de circulação contendo o eletrólito; um separador de gás-líquido no lado do ânodo e um dispositivo de selo de água no lado do ânodo são conectados à câmara de ânodo e um separador de gás-líquido no lado do cátodo e um dispositivo de selo de água no lado do cátodo são conectados à câmara de cátodo; e a eletrólise é continuada enquanto a concentração de álcali no eletrólito fornecido a ambas as câmaras de eletrólise é mantida em uma concentração constante por fornecimento, circularmente, para o tanque de circulação do eletrólito do qual o gás gerado de cada separador de gás- líquido no lado do ânodo e separador de gás-líquido no lado do cátodo é separado, de modo que água pesada no eletrólito é enriquecida e, ao mesmo tempo, o gás hidrogênio é recuperado ou descarregado do separador de gás-líquido no lado do cátodo e o gás oxigênio é recuperado ou descarregado do separador de gás-líquido no lado do ânodo.

2. MÉTODO DE ENRIQUECIMENTO ELETROLÍTICO PARA ÁGUA PESADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela eletrólise ser continuada enquanto a concentração de álcali do eletrólito é mantida na concentração inicial através do fornecimento de água matéria-prima na quantidade correspondente à água que desaparece pela eletrólise para o tanque de circulação.

3. MÉTODO DE ENRIQUECIMENTO ELETROLÍTICO PARA ÁGUA PESADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela concentração de álcali do eletrólito ser 1,5 % a 40 % em massa.

4. MÉTODO DE ENRIQUECIMENTO ELETROLÍTICO PARA ÁGUA PESADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela concentração de álcali do eletrólito ser 20 % a 30 % em massa.

5. MÉTODO DE ENRIQUECIMENTO ELETROLÍTICO PARA ÁGUA PESADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela eletrólise ser continuada enquanto a concentração de álcali do eletrólito é mantida em uma concentração constante por fornecimento da água matéria-prima ao tanque de circulação de modo que a concentração de álcali do eletrólito não excede 40 % em massa.

6. MÉTODO DE ENRIQUECIMENTO ELETROLÍTICO PARA ÁGUA PESADA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela eletrólise ser continuada enquanto a concentração de álcali do eletrólito é mantida em uma concentração constante por fornecimento da água matéria-prima ao tanque de circulação de modo que a concentração de álcali do eletrólito não excede 30 % em massa.

7. MÉTODO DE ENRIQUECIMENTO ELETROLÍTICO PARA ÁGUA

PESADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela pressão na câmara de cátodo e a pressão na câmara de ânodo serem ajustadas por ajuste da altura de uma superfície de água no dispositivo de selo de água no lado do cátodo e da altura de uma superfície de água no dispositivo de selo de água no lado do ânodo, respectivamente, a fim de controlar a proporção do gás oxigênio gerado na câmara de ânodo misturado no gás hidrogênio gerado na câmara de ânodo e/ou a proporção do gás hidrogênio gerado na câmara de cátodo misturado no gás oxigênio gerado na câmara de ânodo.

8. MÉTODO DE ENRIQUECIMENTO ELETROLÍTICO PARA ÁGUA PESADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo diafragma ser um diafragma neutro.

9. MÉTODO DE ENRIQUECIMENTO ELETROLÍTICO PARA ÁGUA PESADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo diafragma ser uma membrana de troca catiônica.