CN109680286A - 一种制取氘的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种制取氘的装置，包括电阴极容器缸，用于接通电源负极；隔膜，设置在电阴极容器缸内，用于形成阳极区内腔和阴极区内腔；电阳极，用于接通电源正极，设置在隔膜的阳极区内腔内；激活源，用于激活水溶液中D‑O化学键活性。本发明实施例还公开了一种制取氘的方法，采用本发明实施例的一种制取氘的装置，沿进水口通入水溶液后，并以预设角度向阴极区内腔内输入激活源，在激活水溶液中的D‑O化学键活性的同时，向装置上通入预设电压，使D+在电场的作用下被电解出，从而分别得到氘元素和低氘水。本发明以更低的能耗，更廉价的设备，更绿色环保方式对水中的氘进行分离与浓缩，操作简单，不需要复杂设备，同时生产出无污染的低氘水。

Description

一种制取氘的装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及制取氘元素的技术领域，具体涉及一种制取氘的装置及方法。

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。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种制取氘的装置及方法，以解决现有技术中制取氘的设备结构复杂，成本高，能耗高的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，一种制取氘的装置，包括：

电阴极容器缸，所述电阴极容器缸呈上端面大于下端面的锥形结构，用于接通电源负极，其内壁为激活源反射面，并在电阴极容器缸下端的外壁上开设有供水溶液流入的进水口；

隔膜，所述隔膜呈管状结构，其设置在电阴极容器缸内，且隔膜的上端口与电阴极容器缸的上端面形成封闭，使隔膜的内部形成阳极区内腔，隔膜与电阴极容器缸之间形成阴极区内腔，所述电阴极容器缸的上端面分别开设有连通阴极区内腔的氘气排出口和低氘水排出口；

电阳极，用于接通电源正极，设置在隔膜的阳极区内腔内；

激活源，用于激活水溶液中D-O化学键活性，所述电阴极容器缸上端的外壁上开设有供激活源输入的激活源输入口。

进一步地，所述电阴极容器缸上端的外壁上设有供电源负极接入的连接点。

进一步地，所述隔膜为石棉网或玻璃纤维膜。

进一步地，所述氘气排出口的位置靠近电阴极容器缸的内壁。

进一步地，所述电阳的电极穿出电阴极容器缸的上端面置于电阴极容器缸的外侧。

进一步地，所述电阴极容器缸的上端面开设有连通阳极区内腔的氧气排出口。

进一步地，所述激活源为红外线激光束或电磁波或超声波或催化剂或电磁激荡回路。

根据本发明实施例的第二方面，一种制取氘的方法，所述制取氘的方法采用本发明实施例所述的一种制取氘的装置，包括以下步骤：

S1、沿所述电阴极容器缸的进水口通入水溶液；

S2、待水溶液充满电阴极容器缸后，将激活源沿电阴极容器缸的激活源输入口以预设角度输入阴极区内腔；

S3、在水溶液中D-O化学键活性被激活的同时，在电阴极容器缸外壁的接入点上接通电源负极，并在电阳极的电极上接通电源正极，电解水溶液并从氘气排出口收集氘元素，并同时从低氘水排出口收集低氘水；

S4、根据电解速率和氘元素提取率，适当调节进水口水溶液流量，用于实现连续生产。

进一步地，在步骤S1中，先向电阴极容器缸内沿进水口通入预设浓度的NaOH或KOH溶液，并使溶液以预设压力和角度沿电阴极容器缸的内壁旋流，再重复步骤S1-S4。

进一步地，在步骤S3中，对收集的氘元素进行燃烧或者燃料电池处理，生成并收集重水或半重水。

本发明实施例具有如下优点：

设置用于接通电源负极的电阴极容器缸和用于接通电源正极的电阳极，通过隔膜将电阴极容器缸内分为阳极区内腔和阴极区内腔，只需沿进水口通入水溶液后，利用电阴极容器缸的激活源反射面，并以预设角度向阴极区内腔内输入激活源，使激活因子沿着电阴极容器缸的内壁经过多次反射，充分被水溶液吸收，从而有效激活水溶液中的D-O化学键活性，使得D-O化学键更容易被电离和电解，基于在电阴极容器缸与电阳极上通入预设电压，使D+在电场的作用下被电解出，并在电阴极容器缸内壁上获得电子后会生成氘气D2或者HD稳定分子结构，并沿缸壁经氘气排出口排出电解槽，便于收集氘元素，只需对收集的氘元素进行燃烧或者燃料电池处理，即可生成收集重水或半重水，而当水溶中D+电解后，水溶液变成低氘水并可以从低氘水排出口收集，实现连续生产。与现有技术相比，本发明以更低的能耗，更廉价的设备，更绿色环保方式对水中的氘(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，同时生产出无污染的低氘水，便于推广和应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例1提供的一种制取氘的装置的整体结构示意图。

图中：1、电阴极容器缸；11、进水口；12、氘气排出口；13、低氘水排出口；14、激活源输入口；15、氧气排出口；2、隔膜；21、阳极区内腔；22、阴极区内腔；3、电阳极；4、激活源。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供了一种制取氘的装置，包括：

电阴极容器缸1，作为电解槽，使用不锈钢材料，其中电阴极容器缸1呈上端面大于下端面的锥形结构，在电阴极容器缸(1)上端的外壁上设有供电源负极接入的连接点，用于接通电源负极，其内壁通过镀金处理形成激活源反射面，并在电阴极容器缸1下端的外壁上开设有供水溶液流入的进水口11，其中，电阴极容器缸内壁的激活源反射面，可根据激活源的不同选用不同材料，如选用远红外线为激活源，电阴极容器缸内壁可采用镀金处理等；

隔膜2，为可渗透水和离子并能隔绝气体的隔膜，优选采用普通白色石棉网或玻璃纤维膜，其呈管状结构，设置在电阴极容器缸1内，且隔膜2的上端口与电阴极容器缸1的上端面形成封闭，使隔膜2的内部形成阳极区内腔21，隔膜2与电阴极容器缸1之间形成阴极区内腔22，主要用于形成单向通道供电解水的氧离子靠近阳极，并隔离电解水中的氘离子和氧离子；

电阳极3，为电解槽电阳极常用材料，优选采用泡沫镍及镍铁合金等材料等制成，设置在隔膜2的阳极区内腔21内，其电极穿出电阴极容器缸(1)的上端面置于电阴极容器缸(1)的外侧，用于接通电源正极；

激活源4，用于激活水溶液中D-O化学键活性，其中可包括采用与D-O化学键相同或相近的振动频率的红外线光或激光激活的方法；采用与D-O化学键振动频率成整数倍关系的电磁波或超声波激活的方法；采用具有D-O化学键振动频率成整数倍关系特性的相关物质或催化剂激活的方法；采用具有D-O化学键振动频率成整数倍关系的电磁激荡回路或结构激活的方法等。本实施例中优选采用采用主频率为7.632×1013Hz红外线激光束，并在电阴极容器缸1上端的外壁上开设有供激光束射入的激活源输入口14。

如上所述，通过进水口11通入水溶液后，选用主频率为7.632×1013Hz红外线激光束作为激活源，将激光束沿激活源输入口14以预设角度照射入阴极区内腔4，利用电阴极容器缸1呈锥形的激活源反射面，激光束会沿着电阴极容器缸1的内壁经过多次反射，充分被水溶液吸收，从而有效激活普通水溶液中D-O化学键活性，使得D-O化学键更容易被电离和电解，而H-O化学键的振动频率在9.58×1013—11.12×1013Hz之间，所以受到的影响较小(使D-O化学键活性高于H-O化学键是相对概念而非绝对概念，同样优先从水中将氘(D)电解出来也是相对概念而非绝对概念，是相较于普通水溶液中氘(D)含量仅为150ppm而言的，所以实际电解时，附带电解出的氢(H)的量可能会高于氘(D)的量，但是这不影响本发明的实用性)。通过在电阴极容器缸1与电阳极3上通入预设电压，D+在电场的作用下被电解出，由于电源负极是接在电阴极容器缸1的外壁上，此时D+在电阴极容器缸1的内壁上获得电子后会生成氘气D2或者HD稳定分子结构，为了方便收集氘元素，在电阴极容器缸1的上端面开设有连通阴极区内腔22的氘气排出口12，其中氘气排出口12的位置靠近电阴极容器缸1的内壁，便于氘气D2或者HD稳定分子结构累积后可以沿缸壁经氘气排出口12排出电解槽，从而收集氘元素，而得到的氘元素。由于水溶中的D+基本被电解排出，使电阴极容器缸1内的水溶液中氘含量较低，从而形成低氘水，为了方便收集低氘水，在电阴极容器缸1的上端面开设有连通阴极区内腔22的低氘水排出口13，即低氘水排出口13排出的水即为低氘水。

本发明实施例通过设置用于接通电源负极的电阴极容器缸1和用于接通电源正极的电阳极3，通过隔膜2将电阴极容器缸1内分为阳极区内腔21和阴极区内腔22，利用激活源4激活水溶液中的D-O化学键活性，使得D-O化学键更容易被电离和电解，并在电阴极容器缸1与电阳极3上通入预设电压，使D+在电场的作用下被电解出，便于收集氘元素，并且只需对收集的氘元素进行燃烧或者燃料电池处理，即可生成收集重水或半重水。而当水溶中D+电解后，水溶液变成低氘水并可以从低氘水排出口收集，与现有技术相比，本发明以更低的能耗，更廉价的设备，更绿色环保方式对水中的氘元素进行分离与浓缩，且操作步骤简单，不需借助过于复杂设备，同时生产出无污染的低氘水，便于推广和应用。

实施例2

与实施例1不同之处在于，由于电解水的氧离子集中在电阳极上，并在电阳极上容易获得电子后生成氧气，为了方便收集氧气，在电阴极容器缸1的上端面开设有连通阳极区内腔21的氧气排出口15，与现有技术相比，本发明以更低的能耗，更廉价的设备，更绿色环保方式对水中的氘元素进行分离与浓缩，且操作步骤简单，不需借助过于复杂设备，同时生产出无污染的低氘水和氧气，便于推广和应用。

实施例3

本发明实施例提供了一种制取氘的方法，所述制取氘的方法采用本发明实施例所述的一种制取氘的装置，包括以下步骤：

S1、沿所述电阴极容器缸1的进水口11通入水溶液；

其中，电阴极容器缸内壁为激活源反射面，并且根据激活源的不同选用不同材料，如选用远红外线为激活源，电阴极容器缸内壁可采用镀金处理等。

S2、待水溶液达到电阴极容器缸1预定液位后，将激活源4沿电阴极容器缸1的激活源输入口14以预设角度输入阴极区内腔22；

其中，优选用主频率为7.632×1013Hz红外线激光束作为激活源，使激光束沿激活源输入口14以预设角度照射入阴极区内腔4，利用电阴极容器缸1呈锥形的激活源反射面内壁，激光束会沿着电阴极容器缸1的内壁经过多次反射，充分被水溶液吸收，从而有效激活普通水溶液中D-O化学键活性，使得D-O化学键更容易被电离和电解。

S3、在水溶液中D-O化学键活性被激活的同时，在电阴极容器缸1外壁的接入点上接通电源负极，并在电阳极3的电极上接通电源正极，电解水溶液并从氘气排出口12收集氘元素，从低氘水排出口13收集低氘水；

其原理是水溶液中的D+在电场的作用下被电解出，由于电源负极是接在电阴极容器缸1的外壁上，此时D+在电阴极容器缸1的内壁上获得电子后会生成氘气D2或者HD稳定分子结构，累积后能够沿缸壁经氘气排出口12排出电解槽。其以电解水的原理为基础是为了降低在对水中D-O化学键进行激活处理所需要的能耗和设备要求而言的，当对水中D-O化学键进行激活处理的量能或着方式足够造成重水或着半重水分解时，可以不需要采用一般电解水原理或方式进行解水处理，例如当采用足够强度的红外线激光与合理的催化剂或半导体材料对水溶液进行D-O化学键激活处理时，D-O化学键可以直接分解。

S4、根据电解速率和氘元素提取率，适当调节进水口水溶液流量，用于实现连续生产。

由于水溶中的D+基本被电解排出，使电阴极容器缸1内的水溶液中氘含量较低，从而形成低氘水，即低氘水排出口13排出的水即为低氘水。

本发明制取氘的方法是在常规电解水原理的基础上，通过对水中D-O化学键进行激活处理，使D-O化学键活性高于H-O化学键，从而优先从水中将氘电解出来，这样就可以较好的降低电解水制取氘的能量消耗，同时降低水溶液中氘的含量，得到低氘水。

实施例4

与实施例3不同之处在于，在实施例3的步骤S1中，先向电阴极容器缸1内沿进水口11通入预设浓度的NaOH或KOH溶液，并使溶液以预设压力和角度沿电阴极容器缸1的内壁旋流，再重复实施例3中的步骤S1-S4，便可分离出氘元素，其实质上是利用NaOH或KOH溶液作为电解催化剂，从而提高电解效率。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种制取氘的装置，其特征在于：所述制取氘的装置包括：

电阴极容器缸(1)，所述电阴极容器缸(1)呈上端面大于下端面的锥形结构，用于接通电源负极，其内壁为激活源反射面，并在电阴极容器缸(1)下端的外壁上开设有供水溶液流入的进水口(11)；

隔膜(2)，所述隔膜(2)呈管状结构，其设置在电阴极容器缸(1)内，且隔膜(2)的上端口与电阴极容器缸(1)的上端面形成封闭，使隔膜(2)的内部形成阳极区内腔(21)，隔膜(2)与电阴极容器缸(1)之间形成阴极区内腔(22)，所述电阴极容器缸(1)的上端面分别开设有连通阴极区内腔(22)的氘气排出口(12)和低氘水排出口(13)；

电阳极(3)，用于接通电源正极，设置在隔膜(2)的阳极区内腔(21)内；

激活源(4)，用于激活水溶液中D-O化学键活性，所述电阴极容器缸(1)上端的外壁上开设有供激活源(4)输入的激活源输入口(14)。

2.根据权利要求1所述的一种制取氘的装置，其特征在于：所述电阴极容器缸(1)上端的外壁上设有供电源负极接入的连接点。

3.根据权利要求1所述的一种制取氘的装置，其特征在于：所述隔膜(2)为石棉网或玻璃纤维膜。

4.根据权利要求1所述的一种制取氘的装置，其特征在于：所述氘气排出口(12)的位置靠近电阴极容器缸(1)的内壁。

5.根据权利要求1所述的一种制取氘的装置，其特征在于：所述电阳极(3)的电极穿出电阴极容器缸(1)的上端面置于电阴极容器缸(1)的外侧。

6.根据权利要求1所述的一种制取氘的装置，其特征在于：所述电阴极容器缸(1)的上端面开设有连通阳极区内腔(21)的氧气排出口(15)。

7.根据权利要求1所述的一种制取氘的装置，其特征在于：所述激活源(4)为红外线激光束或电磁波或超声波或催化剂或电磁激荡回路。

8.一种制取氘的方法，其特征在于，所述制取氘的方法采用权利要求1-7任意一项所述的一种制取氘的装置，包括以下步骤：

S1、沿所述电阴极容器缸(1)的进水口(11)通入水溶液；

S2、待水溶液达到电阴极容器缸(1)预定液位后，将激活源(4)沿电阴极容器缸(1)的激活源输入口(14)以预设角度输入阴极区内腔(22)；

S3、在水溶液中D-O化学键活性被激活的同时，在电阴极容器缸(1)外壁的接入点上接通电源负极，并在电阳极(3)的电极上接通电源正极，电解水溶液并从氘气排出口(12)收集氘元素，并同时从低氘水排出口(13)收集低氘水；

S4、根据电解速率和氘元素提取率，适当调节进水口(11)水溶液流量，用于实现连续生产。

9.根据权利要求8所述的一种制取氘的方法，其特征在于：在步骤S1中，先向电阴极容器缸(1)内沿进水口(11)通入预设浓度的NaOH或KOH溶液，并使溶液以预设的压力和角度沿电阴极容器缸(1)的内壁旋流，再重复步骤S1-S4。

10.根据权利要求8所述的一种制取氘的方法，其特征在于：在步骤S3中，对收集的氘元素进行燃烧或燃料电池处理，生成并收集重水或半重水。