CN106342104B - 一种重水电解制备高纯度氘气的方法 - Google Patents
一种重水电解制备高纯度氘气的方法Info
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Abstract
本发明属于特种气体制备技术领域，涉及一种重水电解制备高纯度氘气的方法。该方法首先对氧化氘含量不少于99.8％的重水加热脱气，然后对脱气后的重水进行电解，电解后分别得到氘气和氧气。将氧气排空。对氘气进行干燥除水处理。将干燥后的氘气通过脱氧催化剂进行进一步的脱氧处理。对脱氧处理后的氘气进行脱氧化氘以及除氮处理。对除氮后的氘气进行压缩，由此得到高压气体。将压缩后的氘气进行变压吸附操作，使其得到进一步纯化。由此得到的高纯度的氘气，通常化学纯度可达到99.999％，氘同位素纯度达到99.9％。
Description
技术领域
本发明属于特种气体制备技术领域，涉及一种重水电解制备高纯度氘气的方法。
背景技术
氘气在国防上的一个重要用途是作为氟化氘激光武器的原料气。氟化氘激光器是利用氘气与三氟化氮等反应产生激发态的氟化氘，在跃迁回稳态过程中放出能量产生激光束。氟化氘激光具有能量高、光束质量好、大气传输性能好等优点，可作为舰载及陆地的综合反导武器。我国从20世纪70年代后期开始研制氟化氘化学激光器，目前进展迅速，已被国家列为杀手锏武器。氘气纯度的提高和稳定将会对激光束的质量产生重大影响，可以提高化学激光器的出光效率、提高出光能量、提高出光稳定性和出光一致性，起到改进和提高氟化氘化学激光武器出光性能的作用。
同时，氘气在核能、可控核聚变反应中应用前景广阔，在医学检验、制药、高分子材料合成改性、新型光源、农业育种、中子测井以及科研等领域也被广泛应用。
目前，现有的氘气制备方法有液氢蒸馏法、色谱分离法、激光激发法、重水电解法等。前三种方法存在能耗高，危险性大，HD(氘化氢)含量高，产气量小等不足。重水电解法是一种较好的氘气制取方法，但普通的重水电解法存在HD含量高，纯化成本高，原料浪费大等缺陷。
发明内容
本发明的目的是为克服现有的制备氘气方法的不足，提供一种简便有效的重水电解制备高纯氘的方法，优化完善技术设备条件，减少重水的浪费，提高氘气的纯度。
本发明方法的技术方案如下：
(1)选择D2O含量≥99.8％的重水为原料，对重水进行加热脱气操作；
(2)向脱气后的重水加入不含H元素的碱性电解质，进行电解；在使用前需对电解质进行加热，至其干燥；
重水电解后分别得到氘气和氧气，此时将氧气排空；
(3)对得到的氘气进行干燥除水处理，使用硅胶脱水与分子筛脱水相结合的方式，具体过程为：先将氘气通入硅胶中，然后再通入分子筛中进行脱水；
(4)将干燥后的氘气通入脱氧催化剂中进行二级脱氧处理；
(5)对脱氧处理后的氘气去除氧化氘；
(6)对去除氧化氘后的氘气进行除氮处理；
(7)对除氮后的氘气进行压缩，由此得到高压气体；
(8)将压缩后的氘气通入一个分子筛进行变压吸附操作，由此进一步去除氘气中的杂质和压缩时产生的水分，使其得到进一步纯化；
上述过程均在封闭环境下进行。
由此即得到了高纯度的氘气，通常化学纯度可达到99.999％，氘同位素纯度达到99.9％。
有益效果
1、投资少，见效快。本发明不需要设计制造新的电解设备，即可得到满足要求的高纯氘气。
2、整个工艺不需要安装低温液氮设备，既减少了投资，又节约了成本，提高了操作安全。
3、可以根据市场需要，灵活调整生产能力，具有扩容方便的优点，减少了浪费。
4、产品气纯度高，化学纯度达到了99.999％，氘同位素纯度达到了99.9％，市场竞争能力强。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的优选实施方式做进一步详细说明。
本优选实施方式的技术方案如下：
(1)选择D2O(氧化氘)含量≥99.8％的重水为原料，对重水进行加热脱气操作，以减少重水中溶解的N2、O2、CO2等杂质气体，减轻纯化工序的压力。进行加热脱气操作时，加热温度为60℃～100℃，加热时间不少于3分钟。
(2)对脱气后的重水进行电解，加入重水中的电解质质量浓度为10g/L～100g/L。电解质选择不含H元素的碱性电解质，包括碳酸钠、碳酸钾、氘氧化钠、氘氧化钾中的任意一种，纯度为优级纯，或者是以上多种物质的任意比例的混合物。为防止电解质中含有水分，在使用前需将电解质在180℃下至少加热3小时，至其干燥。
重水电解后分别得到氘气和氧气，此时将氧气排空。
(3)对得到的氘气进行干燥除水处理。使用硅胶脱水与分子筛脱水相结合的方式，具体过程为：先将氘气通入硅胶中，然后再通入分子筛中进行脱水。这是因为电解产生的氘气中含有一部分水蒸汽以及该温度平衡的饱和水汽。通常电解重水时的温度会超过30℃，生成的氘气每立方米含有的D2O(H2O)超过30克，若单纯使用分子筛脱水，吸附量过大，将影响脱除深度，并且分子筛活化的条件要比硅胶苛刻。而采用硅胶脱水与分子筛脱水相结合的方式，活化方便，脱除水份量大，脱除深度高，并可利用硅胶的变色性能对工艺运行情况进行有效监控。
(4)将干燥后的氘气通入脱氧催化剂中进行进一步的脱氧处理。这是因为电解产生的氘气中会混入微量的氧气，如果不对其进行脱氧处理将影响氘气的纯度。脱氧时，将氘气通过脱氧催化剂。脱氧催化剂可以选择铜系催化剂、镍系催化剂、活性氧化铝镀钯、钯分子筛、银-X分子筛、钯炭纤维催化剂中的任意一种。这里要求采用二级脱氧处理，以便将氘气中含有的微量氧气尽可能的除去。通过此种处理方式，可使氧含量降低到0.5ppm以下。
(5)对脱氧处理后的氘气进行去除氧化氘操作。这是因为上述过程中的微量氧气与氘气反应生成氧化氘，影响氘气的纯度。具体方法是：将氘气通入分子筛中去除氧化氘。
(6)对去除氧化氘后的氘气进行除氮处理。将氘气通入非蒸散型吸气剂中。脱氮时，温度控制在200℃～300℃。
(7)对除氮后的氘气进行压缩，由此得到高压气体。压缩时，压力不小于5MPa.
(8)将压缩后的氘气通入一个分子筛进行变压吸附操作，由此进一步去除氘气中的杂质和压缩时产生的水分，使其得到进一步纯化。
上述过程均在封闭环境下进行。
由此即得到了高纯度的氘气，通常化学纯度可达到99.999％，氘同位素纯度达到99.9％。
实施例1
(1)选择D2O(氧化氘)含量为99.8％的重水为原料，对重水进行加热脱气操作，以减少重水中溶解的N2、O2、CO2等杂质气体，减轻纯化工序的压力。进行加热脱气操作时，加热温度为100℃，加热时间为5分钟。
(2)对脱气后的重水进行电解，加入重水中的电解质质量浓度为100g/L。电解质选择不含H元素的碳酸钠，纯度为优级纯。为防止电解质中含有水分，在使用前需将电解质在180℃下加热3小时，使其干燥。
重水电解后分别得到氘气和氧气，此时将氧气排空。
(3)对得到的氘气进行干燥除水处理。使用硅胶脱水与分子筛脱水相结合的方式，具体过程为：先将氘气通入硅胶中，然后再通入分子筛中进行脱水。
(4)对干燥后的氘气进行进一步的脱氧处理。脱氧时，将氘气通过脱氧催化剂。脱氧催化剂选择活性氧化铝镀钯。这里采用二级脱氧处理，以便将氘气中含有的微量氧气尽可能的除去。
(5)对脱氧处理后的氘气进行去除氧化氘操作。具体方法是：将氘气通入分子筛中去除氧化氘。
(6)对去除氧化氘后的氘气进行除氮处理。将氘气通入以锆为主体的非蒸散型吸气剂中。脱氮时，温度控制在200℃。
(7)对除氮后的氘气进行压缩，由此得到高压气体。压缩时，压力为5MPa.
(8)将压缩后的氘气通入一个分子筛进行变压吸附操作，由此进一步去除氘气中的杂质和压缩时产生的水分，使其得到进一步纯化。
上述过程均在封闭环境下进行。
由此可得到纯度为的99.8％的氘气。
实施例2
(1)选择D2O(氧化氘)含量为99.9％的重水为原料，对重水进行加热脱气操作，以减少重水中溶解的N2、O2、CO2等杂质气体，减轻纯化工序的压力。进行加热脱气操作时，加热温度为60℃，加热时间为3分钟。
(2)对脱气后的重水进行电解，加入重水中的电解质质量浓度为10g/L。电解质选择不含H元素的碳酸钾，纯度为优级纯。为防止电解质中含有水分，在使用前需将电解质在180℃下加热4小时，使其干燥。
重水电解后分别得到氘气和氧气，此时将氧气排空。
(3)对得到的氘气进行干燥除水处理。使用硅胶脱水与分子筛脱水相结合的方式，具体过程为：先将氘气通入硅胶中，然后再通入分子筛中进行脱水。
(4)对干燥后的氘气进行进一步的脱氧处理。脱氧时，将氘气通过脱氧催化剂。脱氧催化剂选择活性氧化铝镀钯。这里采用二级脱氧处理，以便将氘气中含有的微量氧气尽可能的除去。
(5)对脱氧处理后的氘气进行去除氧化氘操作。具体方法是：将氘气通入分子筛中去除氧化氘。
(6)对去除氧化氘后的氘气进行除氮处理。将氘气通入以钒为主体的非蒸散型吸气剂中。脱氮时，温度控制在300℃。
(7)对除氮后的氘气进行压缩，由此得到高压气体。压缩时，压力为10MPa.
(8)将压缩后的氘气通入一个分子筛进行变压吸附操作，由此进一步去除氘气中的杂质和压缩时产生的水分，使其得到进一步纯化。
上述过程均在封闭环境下进行。
由此可得到纯度为的99.9％的氘气。
实施例3
(1)选择D2O(氧化氘)含量为99.9％的重水为原料，对重水进行加热脱气操作，以减少重水中溶解的N2、O2、CO2等杂质气体，减轻纯化工序的压力。进行加热脱气操作时，加热温度为80℃，加热时间为4分钟。
(2)对脱气后的重水进行电解，加入重水中的电解质质量浓度为80g/L。电解质选择不含H元素的氘氧化钠，纯度为优级纯。为防止电解质中含有水分，在使用前需将电解质在180℃下加热3小时，使其干燥。
重水电解后分别得到氘气和氧气，此时将氧气排空。
(3)对得到的氘气进行干燥除水处理。使用硅胶脱水与分子筛脱水相结合的方式，具体过程为：先将氘气通入硅胶中，然后再通入分子筛中进行脱水。
(4)对干燥后的氘气进行进一步的脱氧处理。脱氧时，将氘气通过脱氧催化剂。脱氧催化剂选择活性氧化铝镀钯。这里采用二级脱氧处理，以便将氘气中含有的微量氧气尽可能的除去。
(5)对脱氧处理后的氘气进行去除氧化氘操作。具体方法是：将氘气通入分子筛中去除氧化氘。
(6)对去除氧化氘后的氘气进行除氮处理。将氘气通入以锆为主体的非蒸散型吸气剂中。脱氮时，温度控制在250℃。
(7)对除氮后的氘气进行压缩，由此得到高压气体。压缩时，压力为7MPa.
(8)将压缩后的氘气通入一个分子筛进行变压吸附操作，由此进一步去除氘气中的杂质和压缩时产生的水分，使其得到进一步纯化。
上述过程均在封闭环境下进行。
由此可得到纯度为的99.9％的氘气。
Claims (10)
1.一种重水电解制备高纯度氘气的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)选择D2O含量≥99.8％的重水为原料，对重水进行加热脱气操作；
(2)向脱气后的重水加入不含H元素的碱性电解质，进行电解；在使用前需对电解质进行加热，至其干燥；
重水电解后分别得到氘气和氧气，此时将氧气排空；
(3)对得到的氘气进行干燥除水处理，使用硅胶脱水与分子筛脱水相结合的方式，具体过程为：先将氘气通入硅胶中，然后再通入分子筛中进行脱水；
(4)将干燥后的氘气通入脱氧催化剂中进行二级脱氧处理；
(5)对脱氧处理后的氘气去除氧化氘；
(6)对去除氧化氘后的氘气进行除氮处理；
(7)对除氮后的氘气进行压缩，由此得到高压气体；
(8)将压缩后的氘气通入一个分子筛进行变压吸附操作，使其进一步纯化；
上述过程均在封闭环境下进行。
2.如权利要求1所述的一种重水电解制备高纯度氘气的方法，其特征在于：
所述步骤(1)中进行加热脱气操作时，加热温度为60℃～100℃，加热时间不少于3分钟。
3.如权利要求1所述的一种重水电解制备高纯度氘气的方法，其特征在于：
在步骤(2)中，加入重水中的电解质质量浓度为10g/L～100g/L，电解质纯度为优级纯。
4.如权利要求1所述的一种重水电解制备高纯度氘气的方法，其特征在于：
在步骤(2)中，在电解质使用前将电解质在180℃下至少加热3小时。
5.如权利要求1所述的一种重水电解制备高纯度氘气的方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的碱性电解质选择不含H元素的碳酸钠、碳酸钾、氘氧化钠、氘氧化钾中的任意一种，纯度均为优级纯。
6.如权利要求1所述的一种重水电解制备高纯度氘气的方法，其特征在于：
步骤(2)中所述电解质，还可以选择不含H元素的纯度为优级纯的碳酸钠、碳酸钾、氘氧化钠、氘氧化钾中的任意两种或两种以上的任意比例的混合物。
7.如权利要求1所述的一种重水电解制备高纯度氘气的方法，其特征在于：
步骤(4)中所述的脱氧催化剂，可以选择铜系催化剂、镍系催化剂、活性氧化铝镀钯、钯分子筛、银-X分子筛、钯炭纤维催化剂中的任意一种。
8.如权利要求1所述的一种重水电解制备高纯度氘气的方法，其特征在于：
步骤(5)中，去除氧化氘操作的具体方法是：将氘气通入分子筛中去除氧化氘。
9.如权利要求1所述的一种重水电解制备高纯度氘气的方法，其特征在于：
步骤(6)中，将氘气通入非蒸散型吸气剂中，脱氮时，温度控制在200℃～300℃；所述的非蒸散型吸气剂是以锆或钒为主体的非蒸散型吸气剂。
10.如权利要求1所述的一种重水电解制备高纯度氘气的方法，其特征在于：
步骤(7)中，压缩时压力不小于5MPa。
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