CN108854552B - 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 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了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，利用水中氘(D)的相比于氢(H)不易电离的天然特性，结合质子膜和阴离子膜的选择透过性，在碱性溶液以及离子交换树脂的催化下，应用电渗析原理，在电场的作用下，对水中的氘(D)进行分离与浓缩，同时备制可以饮用的低氘水。与现有技术相比，本发明可以以更低的能耗，更加廉价的设备，更加绿色环保方式对水中氘(D)进行分离与浓缩，并且同时生产出纯净的低氘水。

Description

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
技术领域
本发明涉及应用离子膜电渗析分离氘的技术领域，具体为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。
背景技术
自然界中氢元素(H)的同位素氘(D)以约150ppm(百万分之一)的浓度广泛分布于水中，即以重水(分子式HDO或D2O)的形态存在于自然界的水中。氘(D)是核工业中重要的原材料，同时将水中的重水分离后产生的低氘水(氘(D)含量低于145ppm)是更加理想的饮用水，所以氘的浓缩和低氘水的备制有很高的实际价值。
目前对水中氘(D)分离与低氘水的备制主要通过以下三种途径实现：1)电解水法；2)真空反复蒸馏法；3)化学置换法。其中第一种方法分离效果最好，但是能耗极高，而且设备费用很高；第二种方法除了能耗高之外，氘(D)分离效果不是很好；第三种方法会对分离后的水和环境造成污染，不能饮用，后期处理复杂。
申请号为CN201710341585.7的发明专利公开了一种制备多种浓度低氘水的精馏工艺系统，包括氮气供气系统、原料水供应系统、第一水精馏系统、第一氘水收集系统、第一换热系统、第一监测控制系统、第二水精馏系统、第二氘水收集系统、第二换热系统、第二监测控制系统、第三水精馏系统、第三氘水收集系统、第三换热系统、第三监测控制系统。本发明还提供了该精馏工艺系统的实现方法。该发明逻辑严谨、设计完备，可提高氢氘分离效率，并提供满足不同需求的浓度的低氘水。但其结构相对复杂，设备成本及能耗高，无法通过简单操作实现。
所以目前需要一种可以简单操作，且造价低、环保性高的分离氘的方法。
发明内容
本申请的目的在于提供一种应用质子膜与阴离子膜结合电渗析技术分离水中氘的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。该方法操作简单，效率高，所需设备造价低、能耗低，并且以绿色环保的方式对水中氘(D)进行分离与浓缩，同时生产出纯净的低氘水。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
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，包括以下步骤：
步骤S1：准备多个低氘水腔和接受溶液腔，使其交替排列，接受溶液腔与左侧低氘水腔通过质子膜连接，接受溶液腔与右侧低氘水腔通过阴离子膜连接，最外端两侧的低氘水腔的外侧分别通过阴离子膜与质子膜连接有阴极极液腔与阳极极液腔，在阴极极液腔和阳极极液腔外侧安装电极板，左侧的电极板为阴极，右侧的电极板为阳极；
步骤S2：先将普通水从低氘水腔、阴极极液腔和阳极极液腔底部进水口注入，使其形成水环境，再将普通水、碱性溶液混合从接受溶液腔底部进水口注入，混合溶液电离产生H+、OH-及金属正离子，其中氘(D)由于其天然特性，相较于氢(H)不易被电离，氘(D)主要以HDO和D2O的分子形态存在于混合溶液中；
步骤S3：在电极板之间施加直流电压形成电场，在电场的作用下，接受溶液腔中的H+通过质子膜不断进入其左侧的低氘水腔，OH-通过阴离子膜不断进入其右侧的低氘水腔，阴极极液腔中的OH-通过阴离子膜不断进入左侧的低氘水腔，阳极极液腔中的H+通过质子膜不断进入右侧的低氘水腔，H+与OH-在左右侧的低氘水腔中重新组成无氘水(H2O)，使得低氘水腔内的氘(D)浓度降低，形成低氘水，最终从低氘水腔顶部的出水口排出，含有HDO和D2O的混合溶液在接受溶液腔不断被浓缩,最终从接受溶液腔上部的出水口被排出。
进一步地，在所述接受溶液腔内添加有离子交换树脂填充物，在低氘水腔内添加有泡沫镍金属网格材料。
进一步地，所述质子膜为只能通过H+的功能膜，所述阴离子膜为只能通过OH-的功能膜。
进一步地，所述碱性溶液为NaOH或者KOH溶液。
本发明带来的有益效果有：
与现有技术相比，本发明可以以更低的能耗，更加廉价的设备，更加绿色环保方式对水中氘(D)进行分离与浓缩，且操作步骤简单，不需借助过于复杂设备，同时生产出纯净的低氘水，且通过加入碱性溶液和金属催化剂可以加速H+和OH-的电离。
附图说明
图1是本发明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的装置示意图。
图中：1-电阴极板、2-阴离子膜、3-质子膜、4-电阳极板、5-阴极极液腔、6-低氘水腔、7-重水腔、8-阳极极液腔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明申请的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
参阅图1，一种应用质子膜与阴离子膜通过电渗析原理分离氘的装置，包括交替设置的2个长方形低氘水腔6和1个长方形接受溶液腔7，接受溶液腔7左右两侧都连接低氘水腔6，其中接受溶液腔7与左侧低氘水腔6通过质子膜3连接，质子膜3为只能通过H+的功能膜。接受溶液腔7与右侧低氘水腔6通过阴离子膜2连接，阴离子膜2为只能通过OH-的功能膜。
位于两侧的低氘水腔6外侧连接有阴极极液腔5和阳极极液腔8，其中左侧低氘水腔6与左侧的阴极极液腔5通过阴离子膜2连接，右侧的低氘水腔6与右侧的阳极极液腔8通过质子膜3连接，阴极极液腔5外侧设有电阴极板1，阳极极液腔8外侧设有电阳极板6。
接受溶液腔7、低氘水腔6、阴极极液腔5及阳极极液腔8底部均设有进水口，其上部均设有出水口。
接受溶液腔7内添加有离子交换树脂填充物，以增加水解离性，同时降低膜堆电阻。低氘水腔6中添加泡沫镍金属网格材料，以增加膜的离子透过性，同时增强其机械强度。
实施例2
参阅图1，一种应用质子膜与阴离子膜通过电渗析原理分离氘的方法，该方法应用于实施例1中的装置，其包括以下步骤：
步骤S1：准备低氘水腔6和接受溶液腔7，使其交替排列，接受溶液腔7与左侧低氘水腔6通过质子膜3连接，接受溶液腔7与右侧低氘水腔6通过阴离子膜2连接，两侧的低氘水腔6的外侧分别通过阴离子膜2与质子膜3连接有阴极极液腔5与阳极极液腔8，在阴极极液腔5和阳极极液腔8外侧安装电极板，左侧为电阴极板1，右侧为电阳极板4，在接受溶液腔7内添加离子交换树脂填充物，在低氘水腔6内添加泡沫镍金属网格材料。
步骤S2：先将普通水从低氘水腔6、阴极极液腔5和阳极极液腔底8部进水口注入，使其形成水环境，再将普通水、NaOH溶液混合从接受溶液腔7底部进水口注入，在离子交换树脂的催化下，混合溶液电离产生H+、OH-及Na+离子，其中氘(D)由于其天然特性，相较于氢(H)不易被电离，氘(D)主要以HDO和D2O的分子形态存在于混合溶液中；
步骤S3：在电极板之间施加直流电压形成电场，在电场的作用下，接受溶液腔7中的H+通过质子膜3不断进入其左侧的低氘水腔6，OH-通过阴离子膜2不断进入其右侧的低氘水腔6，阴极极液腔5中的OH-通过阴离子膜2不断进入左侧的低氘水腔6，阳极极液腔8中的H+通过质子膜3不断进入右侧的低氘水腔6，H+与OH-在左右侧的低氘水腔6中重新组成无氘水(H2O)，使得低氘水腔6内的氘(D)浓度降低，形成低氘水，最终从低氘水腔6顶部的出水口排出，含有HDO和D2O的混合溶液在接受溶液腔7中不断被浓缩,最终从接受溶液腔7上部的出水口被排出。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“最外侧”、“底部”、“顶部”，等指示的方向或位置关系为基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。在不脱离本发明装置构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换(比如所述质子膜为阳离子膜的一种，可以采用阳离子膜代替)，都应当视为属于本发明确定的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种应用质子膜与阴离子膜通过电渗析原理分离氘的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：准备多个低氘水腔和接受溶液腔，使其交替排列，接受溶液腔与左侧低氘水腔通过质子膜连接，接受溶液腔与右侧低氘水腔通过阴离子膜连接，最外端两侧的低氘水腔的外侧分别通过阴离子膜与质子膜连接有阴极极液腔与阳极极液腔，在阴极极液腔和阳极极液腔外侧安装电极板，左侧的电极板为阴极，右侧的电极板为阳极；
步骤S2：先将普通水从低氘水腔、阴极极液腔和阳极极液腔底部进水口注入，使其形成水环境，再将普通水、碱性溶液混合从接受溶液腔底部进水口注入，混合溶液中电离产生H+、OH-及金属正离子，其中氘(D)由于其天然特性，相较于氢(H)不易被电离，氘(D)主要以HDO和D2O的分子形态存在于混合溶液中；
步骤S3：在电极板之间施加直流电压形成电场，在电场的作用下，接受溶液腔中的H+通过质子膜不断进入其左侧的低氘水腔，OH-通过阴离子膜不断进入其右侧的低氘水腔，阴极极液腔中的OH-通过阴离子膜不断进入左侧的低氘水腔，阳极极液腔中的H+通过质子膜不断进入右侧的低氘水腔，H+与OH-在左右侧的低氘水腔中重新组成无氘水(H2O)，使得低氘水腔内的氘(D)浓度降低，形成低氘水，最终从低氘水腔顶部的出水口排出，含有HDO和D2O的混合溶液在接受溶液腔不断被浓缩,最终从接受溶液腔上部的出水口被排出。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：在所述接受溶液腔内添加有离子交换树脂填充物，在低氘水腔内添加有泡沫镍金属网格材料。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述质子膜为只能通过H+的功能膜，所述阴离子膜为只能通过OH-的功能膜。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述碱性溶液为NaOH或者KOH溶液。
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