CN109694122A - 一种重水过滤与净化的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种重水过滤与净化的装置，包括箱体，所述箱体内设有供重水流经的过滤通道，所述过滤通道内填充有活性吸附件；电阳极板，设置在箱体的一侧，用于接通电源正极；电阴极板，设置在箱体的一侧，并与电阳极板呈相对设置，用于接通电源负极。本发明实施例还公开了一种重水过滤与净化的方法，先向电阳极板与电阴极板通入电场，再向过滤通道内输入水溶液，使含有D‑O化学键的重水在电场的作用下吸附在活性吸附件上，并从箱体的出水管收集流出的低氘水。本发明以更低的能耗，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。
Description
技术领域
本发明实施例涉及重水过滤与净化的技术领域，具体涉及一种重水过滤与净化的装置及方法。
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重水过滤与净化的装置及方法，以解决现有技术中分离氘元素方法成本高，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，一种重水过滤与净化的装置，包括：
箱体，所述箱体内设有供重水流经的过滤通道，所述过滤通道内填充有活性吸附件，在箱体的外壁上固接有供连通过滤通道下端的进水管，所述进水管设置在箱体的下端，在箱体的外壁上固接有连通过滤通道上端的出水管，所述出水管设置在箱体的上端；
电阳极板，设置在箱体的一侧，用于接通电源正极；
电阴极板，设置在箱体的一侧，并与电阳极板呈相对设置，用于接通电源负极。
进一步地，所述箱体为方体结构。
进一步地，所述过滤通道为蛇形管道结构。
进一步地，所述过滤通道主要由分别固接在箱体两内侧壁上的固定板交错设置形成。
进一步地，所述过滤通道的长度范围为0.1-99m。
进一步地，所述进水管和出水管分别设置在箱体相对的外壁上。
根据本发明实施例的第二方面，一种重水过滤与净化的方法，所述重水过滤与净化的方法采用本发明实施例所述的一种重水过滤与净化的装置，包括以下步骤：
S1、先将电阳极板与电源正极接通，再将电阴极板与电源负极接通，使电阳极板和电阴极板之间形成电场；
S2、待电场形成后，沿箱体的进水管向过滤通道内输入水溶液，使含有D-O化学键的重水在电场的作用下吸附在活性吸附件上，并从箱体的出水管收集流出的低氘水；
S3、待吸附材料饱和后，在电阳极板和电阴极板上通入交流电，使电阳极板和电阴极板之间形成交变电场，并沿箱体的进水管向过滤通道内输入普通水冲洗过滤通道，用于使吸附材料再生，实现重复生产。
进一步地，在步骤S2中收集完低氘水后，将收集到的低氘水继续沿箱体的进水管输入到过滤通道过滤，并将步骤S2重复2-5次。
本发明实施例具有如下优点：
设置箱体，并在箱体内设置供重水流经的过滤通道，使箱体的内部形成供重水过滤的过滤腔，并在箱体的两侧相对设置电阳极板和电阴极板，通过在电阳极板和电阴极板上通入一定电压，使箱体置于一定的电场中，当往过滤通道内输入重水时，水溶液流经电场，并在电场的作用下水分子会发生以下变化：a)使水分子进行整序排列；b)使水分子偶极矩增大；c)使水中水分子团变小甚至消除(电场足够大)。利用过滤通道内填充的活性吸附件，基于水分子上述变化不仅能够增强水分子与活性吸附件之间的范德华作用力，并且能提高水分子吸附的稳定性，而由于水分子中D-O化学键振动频率远低于H-O化学键，并且D-O化学键键能也高于H-O化学键键能，所以含有D-O化学键的重水与吸附材料之间的吸附力更强更稳定，从而使重水滞留在活性吸附件中，从而达到了对重水(分子式HDO或D2O)过滤与净化的目的，同时生产出低氘水，与现有技术相比，本发明以更低的能耗，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。
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为本发明实施例提供的一种重水过滤与净化的装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种重水过滤与净化的装置的过滤通道的结构示意图。
图中：1、箱体；11、过滤通道；12、活性吸附件；13、进水管；14、出水管；2、电阳极板；3、电阴极板。
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和图2所示，本发明实施例提供了一种重水过滤与净化的装置，包括：
箱体1，箱体1优选为内部形成有空腔的方形体结构，在箱体1内设有供重水流经的过滤通道11，使箱体1的内腔形成过滤腔。在过滤通道11内填充有活性吸附件12，其中活性吸附件12优选为如活性氧化铝、硅胶干燥剂等亲水物理吸附材料，但不限于活性氧化铝、硅胶干燥剂等亲水物理吸附材料，也不限于一种填充材料，也可以是几种材料的混合物或着其他合成材料。在箱体1的外壁上固接有供连通过滤通道11下端的进水管13，且进水管13设置在箱体1的下端，在箱体1的外壁上固接有连通过滤通道11上端的出水管14，且出水管14设置在箱体1的上端，其中进水管13和出水管14的位置考虑到方便使用优选设置在箱体1相对的两个外壁上，即将进水管13设置在箱体1前壁的下端，将出水管14设置在箱体1后壁的上端，从而通过进水管13向箱体1内输入重水，使重水沿过滤通道11流动并经出水管14流出；
电阳极板2，设置在箱体1的一侧，用于接通电源正极；
电阴极板3，设置在箱体1的一侧，并与电阳极板2呈相对设置，用于接通电源负极，且电阳极板2和电阴极板3的长度均小于进水管13和出水管14之间的距离，便于进水管13外接水源以及出水管14收集低氘水。
如上所述，通过将箱体1设置在电阳极板2和电阴极板3之间，在电阳极板2和电阴极板3上通入一定电压，使箱体1置于一定的电场中，当往过滤通道11内输入水溶液时，水溶液流经电场，并在电场的作用下水分子会发生以下变化：a)使水分子进行整序排列；b)使水分子偶极矩增大；c)使水中水分子团变小甚至消除(电场足够大)。利用过滤通道11内填充的活性吸附件12，基于水分子上述变化不仅能够增强水分子与活性吸附件12之间的范德华作用力，并且能提高水分子吸附的稳定性，而由于水分子中D-O化学键振动频率远低于H-O化学键，并且D-O化学键键能也高于H-O化学键键能，所以含有D-O化学键的重水与吸附材料之间的吸附力更强更稳定，从而使重水滞留在活性吸附件12中，从而达到了对重水(分子式HDO或D2O)过滤与净化的目的，同时生产出低氘水，使低氘水经出水管14流出。
本发明的一种重水过滤与净化的装置的原理主要是利用电场使水分子团变小，此时单个的水分子在电场作用下彼此之间整序排列，增强水分子与吸附材料之间的范德华作用力，并基于水分子中D-O化学键的稳定性，从而使含有D-O化学键的重水滞留在活性吸附件12中，达到了对重水过滤与净化的目的，因此本发明实施例中的电场不限于单一强度或单一方向的电场，箱体1也不限于电阳极板2和电阴极板3之间的一个箱体1，可以设计不同结构不同样式的箱体1和不同强度、不同方向的电场进行分级过滤。并且由于电场与磁场的紧密联系性，在本发明实施例中，电场的功能在一定程度上可以用磁场来代替。
实施例2
与实施例1不同之处在于，如图2所示，过滤通道11为蛇形管道结构，主要由分别固接在箱体1两内侧壁上的固定板交错设置形成，以便在有限的空间内使箱体1内的过滤通道11达到适合的长度，提高重水的过滤效率，其中过滤通道11的长度范围为0.1-99m，通过将过滤通道11的总长度控制在100m以内，以便于容易得到氘浓度＜40ppm的低氘水。
实施例3
本发明实施例提供了一种重水过滤与净化的方法，采用本发明实施例所述的一种重水过滤与净化的装置，包括以下步骤：
S1、先将电阳极板2与电源正极接通，再将电阴极板3与电源负极接通，使电阳极板2和电阴极板3之间形成电场；
S2、待电场形成后，沿箱体1的进水管13向过滤通道11内输入水溶液，使含有D-O化学键的重水在电场的作用下吸附在活性吸附件上，并从箱体1的出水管14收集流出的低氘水；
其中活性吸附件12优选为如活性氧化铝、硅胶干燥剂等亲水物理吸附材料，但不限于活性氧化铝、硅胶干燥剂等亲水物理吸附材料，也不限于一种填充材料，也可以是几种材料的混合物或着其他合成材料，且重水的水溶液是指不会对过滤通道11内的活性吸附件12造成污染并且不会与其发生化学反应的纯净水、矿物质水或自然水。主要原理是重水的水溶液流经电场，并在电场的作用下水分子会发生以下变化：a)使水分子进行整序排列；b)使水分子偶极矩增大；c)使水中水分子团变小甚至消除(电场足够大)。此时单个的水分子在电场作用下彼此之间整序排列，利用亲水的活性吸附件，基于水分子上述变化不仅能够增强水分子与活性吸附件之间的范德华作用力，并且能提高水分子吸附的稳定性，而由于水分子中D-O化学键振动频率远低于H-O化学键，并且D-O化学键键能也高于H-O化学键键能，所以含有D-O化学键的重水与吸附材料之间的吸附力更强更稳定，从而使重水滞留在活性吸附件中，从而达到了对重水过滤与净化的目的，同时生产出低氘水，
S3、待吸附材料饱和后，在电阳极板2和电阴极板3上通入交流电，使电阳极板2和电阴极板3之间形成交变电场，并沿箱体1的进水管13向过滤通道11内输入普通水冲洗过滤通道，用于使吸附材料再生，实现重复生产。
其主要原理是当活性吸附件吸附的重水达到饱和状态时，只需在电场两极板通入交流电，使电阳极板2和电阴极板3之间形成交变电场，便能够破坏重水与活性吸附件之间的吸附力，再用普通水进行冲洗就可以使活性吸附件再生，同时冲洗出氘含量较高的水。
与现有技术相比，本发明实施例以更低的能耗，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。
实施例4
与实施例3不同之处在于，在步骤S2中收集完低氘水后，将收集到的低氘水继续沿箱体1的进水管13输入到过滤通道11过滤，并将步骤S2重复2-5次，由于过滤通道11的总长度控制在100m以内，能够较容易的得到氘浓度＜40ppm的低氘水。
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 (8)
1.一种重水过滤与净化的装置，其特征在于，所述重水过滤与净化的装置包括：
箱体(1)，所述箱体(1)内设有供重水流经的过滤通道(11)，所述过滤通道(11)内填充有活性吸附件(12)，在箱体(1)的外壁上固接有供连通过滤通道(11)下端的进水管(13)，所述进水管(13)设置在箱体(1)的下端，在箱体(1)的外壁上固接有连通过滤通道(11)上端的出水管(14)，所述出水管(14)设置在箱体(1)的上端；
电阳极板(2)，设置在箱体(1)的一侧，用于接通电源正极；
电阴极板(3)，设置在箱体(1)的一侧，并与电阳极板(2)呈相对设置，用于接通电源负极。
2.根据权利要求1所述的一种重水过滤与净化的装置，其特征在于：所述箱体(1)为方体结构。
3.根据权利要求1所述的一种重水过滤与净化的装置，其特征在于：所述过滤通道(11)为蛇形管道结构。
4.根据权利要求3所述的一种重水过滤与净化的装置，其特征在于：所述过滤通道(11)主要由分别固接在箱体(1)两内侧壁上的固定板交错设置形成。
5.根据权利要求3所述的一种重水过滤与净化的装置，其特征在于：所述过滤通道(11)的长度范围为0.1-99m。
6.根据权利要求1所述的一种重水过滤与净化的装置，其特征在于：所述进水管(13)和出水管(14)分别设置在箱体(1)相对的外壁上。
7.一种重水过滤与净化的方法，其特征在于，所述重水过滤与净化的方法采用权利要求1-6任意一项所述的一种重水过滤与净化的装置，包括以下步骤：
S1、先将电阳极板(2)与电源正极接通，再将电阴极板(3)与电源负极接通，使电阳极板(2)和电阴极板(3)之间形成电场；
S2、待电场形成后，沿箱体(1)的进水管(13)向过滤通道(11)内输入水溶液，使含有D-O化学键的重水在电场的作用下吸附在活性吸附件上，并从箱体(1)的出水管(14)收集流出的低氘水；
S3、待吸附材料饱和后，在电阳极板(2)和电阴极板(3)上通入交流电，使电阳极板(2)和电阴极板(3)之间形成交变电场，并沿箱体(1)的进水管(13)向过滤通道(11)内输入普通水冲洗过滤通道，用于使吸附材料再生，实现重复生产。
8.根据权利要求7所述的一种重水过滤与净化的方法，其特征在于：在步骤S2中收集完低氘水后，将收集到的低氘水继续沿箱体(1)的进水管(13)输入到过滤通道(11)过滤，并将步骤S2重复2-5次。
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