CN105776437A - 重水生产设备及其重水生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了重水生产设备及其重水生产方法。该设备包括电化学反应装置，该电化学反应装置包括电极单元和电接电极单元的电源单元，该电极单元包括阳极和阴极，该电极单元能使水发生电化学反应，以在阳极能产生·OH自由基，在阴极能产生H离子和D离子，H离子比D离子更易与·OH自由基重组成水，使得有D离子自行组合反应生成氘气并析出，收集脱离水体的包含有氘气的气体，该氘气和氧气反应生成重水。它具有如下优点：设备简单，易控，能耗低，耗水量低，提取成本低。

Description

重水生产设备及其重水生产方法

技术领域

本发明涉及一种重水生产设备及其重水生产方法。

背景技术

氘是氢的同位素，是热聚变反应的核心原料。因氘原子核内比氕多一个中子故氘原子量比氕大，为2.014。氘水广泛存在于天然水中，冰川雪山水中含氘量为130-135ppm(质量含量为0.013-0.0135％)，平原地区天然水中含氘量为150ppm，沿海地区含氘量略高，靠近赤道和赤道地区为155ppm。现有重水(氘水)的生产方法主要有：冰冻法、精馏法、电解法和交换法等几种。

冰冻法：利用氘水与氕水冰点不同的原理，通过控制天然水的冰点来从天然水中分离出氘水，但受温度、气压等众多因素影响导致冰点控制极其困难，耗水量大，成本高，故难以实际应用。

精馏法：利用氘水与氕水沸点不同的原理，通过控制蒸发温度将天然水中的氕水蒸发掉，剩下为氘水，该法是目前市场上的通用方法，但设备要求精度高，设备复杂，耗能大，成本高，控制难度大，耗水量大。

电解法：利用氕离子较易在电极上富集并被电解成氕气的原理，在电价较低的地区它被广泛采用于生产氘水。该方法是电解自然水以产出氕气和氧气，剩下为氘水。该设备要求精度也高，设备复杂，耗能大，控制难度大，耗水量大，成本高，低氘水中未含矿物质和微量元素。

发明内容

本发明提供了一种利用自然水生产重水的设备及生产方法，其克服了背景技术中重水生产方法所存在的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：

一种重水生产设备，包括电化学反应装置，该电化学反应装置包括电极单元和电接电极单元的电源单元，该电极单元包括阳极和阴极，该电极单元能使水发生电化学反应，以在阳极能产生·OH自由基，在阴极能产生H离子和D离子，H离子比D离子更易与·OH自由基重组成水，使得有D离子自行组合反应生成氘气并析出，收集脱离水体的包含有氘气的气体，该氘气和氧气反应生成重水。

一实施例之中：该阳极采用催化性低析氧性的材料，以能在阳极产生·OH自由基且不易析出氧气；该阴极采用催化性低析氢性的材料，以能在阴极产生H离子和D离子且不易析出氢气。

一实施例之中：该阳极选用DSA电极、外涂贵金属氧化物涂层电极、贵金属电极、合金电极或非金属电极；

该阴极选用钛、钽、铌、锆、钒、钼或钨的电极或者钛、钽、铌、锆、钒、钼或钨中至少两种混合的合金电极。

一实施例之中：还包括器体，该器体设有用于供水流流过的流道，该电极单元插入器体的流道中。

一实施例之中：还包括提气装置，该提气装置接通流道的出水口，通过提气装置从水体中收集包含有氘气的气体。

一实施例之中：还包括提氘装置，该提氘装置用于从包含有氘气的气体中提取氘气。

一实施例之中：还包括反应器，该反应器，该氘气和氧气在反应器中反应生成重水。

一实施例之中：该阳极和阴极都采用板状结构且平行间隔，该间隔间距为0.5mm-5mm。

一实施例之中：还包括定时单元，该定时单元用于控制收集自电化学反应开始起的1-60秒内的气体。

一实施例之中：还包括水流控制机构，水流控制机构用于控制水流流经电极单元的时间为1-60秒。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：

上述设备的重水生产方法，包括：

步骤1，电极单元使水发生电化学反应，以在阳极能产生·OH自由基，在阴极能产生H离子和D离子；

步骤2，H离子比D离子更易与·OH自由基重组成水，使得有D离子自行组合反应生成氘气并析出；

步骤3，收集脱离水体的包含有氘气的气体；

步骤4，使氘气和氧气反应生成重水。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

极单元能使水发生电化学反应，以在阳极能产生·OH自由基，在阴极能产生H离子和D离子，H离子比D离子更易与·OH自由基重组成水，使得有D离子自行组合反应生成氘气并析出，氘气和氧气反应生成重水，设备简单，易控，能耗低，耗水量低，提取成本低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是生产氘水设备的结构示意图。

具体实施方式

请查阅图1，一种利用自然水生产重水的设备，包括电化学反应装置10、器体20、提气装置30、提氘装置和反应器。

该器体20用于供水流流过，设有用于供水流流过的流道，如为电解槽。本实施例以电解槽为例但不限于电解槽，其它的结构只要能供水流流经或存水，且能供电极单元插入，能使电极单元接触水即可。该器体如采用绝缘材料制成。

该电化学反应装置10包括电极单元和电接电极单元的电源单元11，该电极单元包括阳极12和阴极13。

该阳极12采用高催化性低析氧性(具有析氧过电位高的特性)的材料，该高催化性低析氧性是指具有生成电催化剂的能力以能从OH^-夺取1个电子使其生成难以还原成氧气外逸的·OH自由基，因此能充分电解自然水能以使阳极12(具有生成电催化剂的能力，将OH^-夺取1个电子而生成·OH自由基)12周围富集·OH自由基，该低析氧性是指富集的·OH自由基难以还原成氧气析出外逸。该阴极13采用高催化性低析氢性的材料，该高催化性低析氢性是指电解过程中能吸附或富集H⁺使其难以还原成氢气外逸，因此电解自然水能使是指能充分电解自然水以使阴极13(具有生成电催化剂的能力，将H⁺吸附而不易还原成氢气)13周围吸附或富集H离子和D离子，该低析氢性是指(吸附或富集而不会还原成氢气析出)富集的H离子难以析出氢气外逸。

该阳极12如选用DSA电极、外涂贵金属氧化物涂层电极、贵金属电极、合金电极或非金属电极；该外涂贵金属氧化物涂层电极如Ti、Ru、Ir、Sn、Pt、Pd氧化物涂层电极，具体如钛基Pt氧化物涂层电极、钛基Pd氧化物涂层电极等；该贵金属电极如Pt、Pd、Ir、Ra等贵金属电极；该非金属电极如碳、石墨电极。上述的列举并非用于限制阳极12所采用的电极，根据需要只要具有电催化性能(可产生·OH-羟基自由基)的电极都可设为阳极。

该阴极13如选用钛电极、钽电极、铌电极、锆电极、钒电极、钼电极或钨电极，该列举并非用于限制阴极13所采用的电极，根据需要只要是高催化性低析氢材料制成即可。

该电源单元11采用直流开关电源，但不限于直流开关电源，其它如脉冲直流电源、全波硅整流电源等直流电源也可应用在本发明中。

该阳极12和阴极13的电极都采用面板结构且电极与电极间平行排列，以提高析出氘气效率。该面板结构如为平面板、弧面板、曲面板等。该阳极和阴极交替排列布置，使阳极和阴极都是相对布置，该阳极12和阴极14间隔间距为0.5mm-5mm，最好采用0.5mm-3mm，但不限于该距离，当然电极也不限于平面状，电极排列也不限于平行排列，只要天然水水流自阳极和阴极间流过并发生电化学反应即可。

该电极单元的阳极12和阴极13插入器体20的流道的水流中，如阳极12和阴极13的相背向面分别靠接在器体20内壁，使得水流能经阳极和阴极间流过并发生电化学反应，以能在阳极12产生·OH自由基并在阳极12周围富集，能在阴极13产生H离子和D离子并在阴极13周围富集。

因H离子(氕离子)在阴极13富集吸附并不易被还原逸出，·OH自由基在阳极12富集吸附并不易被析出氧气，因此这为二者重组反应提供了充分条件，使得H离子和·OH自由基会迅速组成轻水。因D离子(氘离子)质量是氕离子质量的两倍，使氘离子析出速度慢于氕离子析出速度，使氘离子争夺的·OH离子的能力低于氕离子，使H离子比D离子更易与·OH自由基重组成水，而因D离子(氘离子)也在阴极13富集吸附，故富集的氘离子会自行组合反应生成D2(氘气)并从阴极析出，析出气体脱离水体即构成含有氘气的气体，该气体中还会混合有析出的氢气、氧气，脱离气体后的水体，降低了水中氘含量，可制备出低氘水。

该提气装置30连接器体20用于从水中提起析出的气体，其结构如包括外壳31和一固装在外壳31内的滤膜阻气器32，该外壳31通过管道连接在器体20的出水口，该外壳31上部设有排气口，该外壳31下部设有排水口。该从器体20的出水口排出的水流经滤膜阻气器32，通过滤膜阻气器32使水中的气体脱离水且气体从排气口出排出，已排出气体的水经排水口排出，该水体中已降低了氘含量。本实施例之中该提气装置30采用滤膜阻气器32结构，根据需要也可采用其它结构只要能实现水气分离即可。

根据需要，还可包括定时单元，该定时单元用于控制收集自电化学反应开始起的1-60秒内的气体，如包括一设置在提取装置的排气口上的阀门，该定时单元控制阀门在电化学反应开始起的1-60秒内处于打开状态，其余时间关闭。当然，该定时单元还可电接电源单元，用于控制电源单元在电化学反应开始起的1-60秒后关闭电源。或者，根据需要，还包括水流控制机构，水流控制机构用于控制水流流经电极单元的时间为1-60秒。

该提氘装置接通排气口(根据需要还可在排气口设置储气器40，该提氘装置接通储气器40)，用于从混合气体中提取氘气，该提取例如利用密度不同之方式，氢气、氘气、氧气密度从小到大排列，三个气体成三层排布，提取中层的氘气既能起到提取氘气方式。根据需要，也可提取氘气和氧气。

该反应器连接提氘装置，用于使氘气和氧气充入反应器内并在反应器内反应生成氘水。

本实施例中每平方米电流密度采用3-20安，但不限于该电流密度，因为任何电流密度皆可产生氘气，只是效率差别而已。自然水中的PH值会影响电化学反应产生氕气的量。PH值高则产生氘气量大，PH值低则产生氘气量少，产生氘气量与PH值成比例关系，但不限于比例关系的函数方式。

步骤1，电极单元使水发生电化学反应，以在阳极能产生·OH自由基，在阴极能产生H离子和D离子；

步骤2，H离子比D离子更易与·OH自由基重组成水，使得有D离子自行组合反应生成氘气并析出；

步骤3，收集脱离水体的包含有氘气的气体，再从气体中提取氘气和氧气；

步骤4，使氘气和氧气反应生成重水。

如用于装水的器件中，则收集从阴极析出的自电化学反应开始起的1-60秒内的气体或控制电催化时间在1-60秒。如用于流经电极单元的器件中：该步骤1控制水流流经电极单元的时间为1-60秒。上述的时间最佳为5-60秒。

电化学反应前段(初始期的短时间内)既完成了析出氘气的反应最高可达85％以上，之后便进入析(氢)(氕)期，氘气与氕气共析，但氘气含量比例趋于0，本实施例中反应时间约为60秒以内，但不限于此反应时间。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (11)

1.一种重水生产设备，其特征在于：包括电化学反应装置，该电化学反应装置包括电极单元和电接电极单元的电源单元，该电极单元包括阳极和阴极，该电极单元能使水发生电化学反应，以在阳极能产生·OH自由基，在阴极能产生H离子和D离子，H离子比D离子更易与·OH自由基重组成水，使得有D离子自行组合反应生成氘气并析出，收集脱离水体的包含有氘气的气体，该氘气和氧气反应生成重水。

2.根据权利要求1所述的一种重水生产设备，其特征在于：该阳极采用催化性低析氧性的材料，以能在阳极产生·OH自由基且不易析出氧气；该阴极采用催化性低析氢性的材料，以能在阴极产生H离子和D离子且不易析出氢气。

3.根据权利要求1所述的一种重水生产设备，其特征在于：

该阳极选用DSA电极、外涂贵金属氧化物涂层电极、贵金属电极、合金电极或非金属电极；

该阴极选用钛、钽、铌、锆、钒、钼或钨的电极或者钛、钽、铌、锆、钒、钼或钨中至少两种混合的合金电极。

4.根据权利要求1所述的一种重水生产设备，其特征在于：还包括器体，该器体设有用于供水流流过的流道，该电极单元插入器体的流道中。

5.根据权利要求4所述的一种重水生产设备，其特征在于：还包括提气装置，该提气装置接通流道的出水口，通过提气装置从水体中收集包含有氘气的气体。

6.根据权利要求1所述的一种重水生产设备，其特征在于：还包括提氘装置，该提氘装置用于从包含有氘气的气体中提取氘气。

7.根据权利要求1所述的一种重水生产设备，其特征在于：还包括反应器，该反应器，该氘气和氧气在反应器中反应生成重水。

8.根据权利要求1所述的一种重水生产设备，其特征在于：该阳极和阴极都采用板状结构且平行间隔，该间隔间距为0.5mm-5mm。

9.根据权利要求1所述的一种重水生产设备，其特征在于：还包括定时单元，该定时单元用于控制收集自电化学反应开始起的1-60秒内的气体。

10.根据权利要求1所述的一种重水生产设备，其特征在于：还包括水流控制机构，水流控制机构用于控制水流流经电极单元的时间为1-60秒。

11.权利要求1至8中任一项设备的重水生产方法，其特征在于：包括：

步骤1，电极单元使水发生电化学反应，以在阳极能产生·OH自由基，在阴极能产生H离子和D离子；

步骤2，H离子比D离子更易与·OH自由基重组成水，使得有D离子自行组合反应生成氘气并析出；

步骤3，收集脱离水体的包含有氘气的气体；

步骤4，使氘气和氧气反应生成重水。